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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA

FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA

ESTUDO DE DESEMPENHO DO AQUECEDOR SOLAR DE BAIXO CUSTO

Débora Abrahão Siqueira

Uberlândia - MG

Março de 2009

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA

FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA

ESTUDO DE DESEMPENHO DO AQUECEDOR SOLAR DE BAIXO CUSTO

Débora Abrahão Siqueira

Orientador:

Prof. Dr. João Jorge Ribeiro Damasceno

Dissertação de mestrado apresentada ao

Programa de Pós-Graduação em Engenharia

Química da Universidade Federal de

Uberlândia como parte dos requisitos

necessários à obtenção do título de Mestre em

Engenharia Química, área de concentração em

Desenvolvimento de Processos Químicos.

Uberlândia - MG

Março de 2009

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)

Elaborada pelo Sistema de Bibliotecas da UFU / Setor de Catalogação e Classificação

S618e

Siqueira, Débora Abrahão, 1983- Estudo de desempenho do aquecedor solar de baixo custo / Débora Abrahão Siqueira. - 2008. 125 f. : il. Orientador: João Jorge Ribeiro Damasceno. Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Uberlândia, Pro- grama de Pós-Graduação em Engenharia Química. Inclui bibliografia.

1. Aquecedores solares de água - Teses. 2. Energia solar - Teses. I. Damasceno, João Jorge Ribeiro. II. Universidade Federal de Uberlândia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. III. Título. CDU: 620.9

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO SUBMETIDA AO PROGRAMA DE PÓS-

GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE

UBERLÂNDIA COMO PARTE DOS REQUISITOS PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE

MESTRE EM ENGENHARIA QUÍMICA, EM 05 /03 /2009

BANCA EXAMINADORA:

____________________________

Prof. Dr. João Jorge Ribeiro Damasceno Orientador (PPG-EQ/UFU)

____________________________

Prof. Dr. Luiz Gustavo Martins Vieira (FEQ/UFU)

____________________________

Prof. Dr. Cláudio Roberto Duarte

(FEQ/UFU)

____________________________

Dr. Fábio de Oliveira Arouca

(DEQ-UFSCar)

AGRADECIMENTOS

Ao orientador Prof. João Jorge Ribeiro Damasceno, ao Coordenador do

projeto Prof. Luiz Gustavo Martins Vieira pelas diretrizes seguras e

permanente incentivo, ao Prof. Humberto Molinar Henrique, ao técnico

Anísio Ferreira Martins Junior, à Natália Maira de Oliveira e ao Sr.Joselias

Cabral de Oliveira pelas sugestões, colaboração e interação durante todo o

trabalho, à FAPEMIG, que apoiou o projeto sob a forma de uma bolsa de

estudos em nível de mestrado e ao Programa de Apoio à Pós-Graduação

(PROAP).

A minha mãe Ana Maria Ribeiro, pelo estímulo, apoio e compreensão.

A todos que direta ou indiretamente colaboraram na execução deste

trabalho.

SUMÁRIO

Lista de figuras i

Lista de tabelas v

Simbologia vi

Resumo ix

"Abstract" x

Capítulo 1 - INTRODUÇÃO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1. Justificativas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2. Objetivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Capítulo 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1. Radiação Solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2. Determinação da Constante Solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3. Radiação direta e difusa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.4. Absorção reflexão e transmissão por uma superfície. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.5. Predição de radiação em um plano inclinado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.5.1. Direção da radiação direta incidente sobre uma superfície. . . . . . . . . . 13

2.5.2. Radiação horária total na superfície horizontal ( I ). . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.5.3. Modelo empírico de predição de radiação em superfície inclinada. . . . 17

2.5.3.1. Radiação horária extraterrestre em um plano horizontal ( 0I ). . 17

2.5.3.2. Componente direta e difusa da radiação horária total na

superfície horizontal ( Ib e Id ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.5.3.3. Radiação total em superfícies inclinadas fixas ( IT ). . . . . . . . . 19

2.6. Principais componentes do sistema de aquecimento solar de água

convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.6.1. Reservatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.6.2. Coletor Solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.7. O sistema ASBC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.8. Simulação do comportamento térmico de um sist. de aquecimento de água. . . 28

2.8.1. Balanço de energia no reservatório ( IT ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.8.2. Balanço de energia na placa coletora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.9. Desempenho térmico do coletor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.9.1. Determinação do Calor Útil e do Fator de Remoção de Calor. . . . . . . 37

2.9.2. Determinação do rendimento térmico em regime quase permanente. . 40

2.10. Tipos de Instalação e orientação dos coletores solares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.10.1. Circulação natural em circuito aberto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.10.2. Circulação natural em circuito fechado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Capítulo 3 - MATERIAIS E MÉTODOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.1. Unidade experimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.2. Materiais e Equipamentos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.2.1. Tintas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.2.2. Coletores Solares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.2.3. Reservatórios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.2.4. Bombas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.2.5. Reservatório de água fria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.3. Instrumentação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.3.1. Aquisição de dados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.3.2. Medição de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.3.3. Medição de dados meteorológicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.4. Procedimento Experimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.4.1. Obtenção da eficiência do reservatório térmico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.4.2. Obtenção da eficiência do coletor solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.5. Metodologia Numérica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Capítulo 4 - RESULTADOS E DISCUSSÕES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.1. Eficiência dos sistemas termossifão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.1.1. Primeiro ensaio nos reservatórios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.1.2. Segundo ensaio nos reservatórios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.1.3. Terceiro ensaio nos reservatórios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.1.4. Quarto ensaio nos reservatórios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.2. Coeficiente Global de Troca Térmica do Reservatório (UA ). . . . . . . . . . . . . . 73

4.3. Eficiência dos sistemas bombeados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.3.1. Vazão de recirculação de 20 L/h. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.3.2. Vazão de recirculação de 40 L/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.3.3. Vazão de recirculação de 60 L/h. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.3.4. Efeito da vazão na eficiência dos aquecedores solares. . . . . . . . . . . . . 90

4.4. Comparação entre os sistemas de aquecimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.5. Simulação fluidodinâmica do ASBC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.5.1. Balanço de Energia para um Sistema de Aquecimento Contínuo. . . 92

4.5.2. Balanço de Energia para um Sistema de Aquecimento em

Batelada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

4.5.3. Distribuição de Temperatura no interior do Boiler. . . . . . . . . . . . . . . 97

4.6. Análise econômica do aquecedor solar de baixo custo . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

Capítulo 5 - CONCLUSÕES E SUGESTÕES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

APÊNDICE I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

APÊNDICE II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

APÊNDICE III. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

i

Lista de Figuras Figura 1.1 - Sistema ASBC formado por placa de PVC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Figura 2.1 - Espectro da radiação eletromagnética. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Figura 2.2 - Relação espacial sol-terra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Figura 2.3 - Natureza direcional da radiação solar fora da atmosfera terrestre. . . . . . . . . . 7

Figura 2.4 - Radiação da terra pelo sol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Figura 2.5 - Espalhamento da radiação solar na atmosfera terrestre. . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Figura 2.6 - Processos de absorção, reflexão e transmissão em um meio

semitransparente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Figura 2.7 - Ângulo zenital, inclinação e ângulo azimutal da superfície. . . . . . . . . . . . . . 14

Figura 2.8 - Sistema de aquecimento solar de água convencional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Figura 2.9 - Vistas do interior de um coletor solar plano. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Figura 2.10 - Esquema do ASBC de 200L com seus componentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Figura 2.11 - Vista esquemática do ASBC de 1000 L. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Figura 2.12 - Seções do reservatório estratificado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Figura 2.13 - Esquema da placa coletora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Figura 2.14 - Distribuição da temperatura do fluido na placa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Figura 2.15 - Rede térmica equivalente para um coletor solar plano. . . . . . . . . . . . . . . . 39

Figura 2.16 - Circulação natural-circuito aberto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Figura 3.1 - Unidade de testes localizada no bloco da FEQUI- UFU. . . . . . . . . . . . . . . . 45

Figura 3.2 - Vista esquemática de um coletor solar sem cobertura. . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Figura 3.3-Vista esquemática do coletor solar fechado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Figura 3.4 - Vista do interior do reservatório do ASBC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Figura 3.5 - Vista esquemática do reservatório térmico convencional. . . . . . . . . . . . . . . 49

Figura 3.6 - Bomba peristáltica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Figura 3.7 - Circuito eletrônico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Figura 3.8 - Termopar de isolação mineral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Figura 3.9 - Diagrama esquemático do sistema de medição de temperatura . . . . . . . . . . 53

Figura 3.10 - Posição dos 15 termopares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Figura 3.11 - Termopares instalados no sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Figura 4.1 - Radiação incidente no coletor no dia 28 de novembro de 2008. . . . . . . . . . 59

Figura 4.2 - Temperaturas do reservatório PP no dia 28/11/2008. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Figura 4.3 - Temperaturas do reservatório PVC no dia 28/11/2008. . . . . . . . . . . . . . . . . 60

ii

Figura 4.4 - Temperaturas do reservatório Convencional no dia 28/11/2008. . . . . . . . . . 61

Figura 4.5 - Radiação incidente no coletor de 02 a 04 de dezembro de 2008. . . . . . . . . . 62

Figura 4.6 - Temperaturas do reservatório PP de 02 a 05/12/2008. . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Figura 4.7 - Temperaturas do reservatório PVC do dia 02 a 05/12/2008. . . . . . . . . . . . . 64

Figura 4.8 - Temperaturas do reservatório Convencional do dia 02 a 05/12/2008. . . . . . 65

Figura 4.9 - Radiação incidente no coletor de 05 a 06 de dezembro de 2008. . . . . . . . . . 67

Figura 4.10 - Temperaturas do reservatório PP do dia 05 a 06/12/2008. . . . . . . . . . . . . . 67

Figura 4.11-Temperaturas do reservatório PVC do dia 05 a 06/12/2008. . . . . . . . . . . . . 68

Figura 4.12 -Temperaturas do reservatório Convencional do dia 05 a 06/12/2008. . . . . . 69

Figura 4.13 - Radiação incidente no coletor no dia 09 de dezembro de 2008. . . . . . . . . . 70

Figura 4.14 - Temperaturas do reservatório PP no dia 09/12/2008. . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Figura 4.15 - Temperaturas do reservatório PVC no dia 09/12/2008 . . . . . . . . . . . . . . . . 71

Figura 4.16 - Temperaturas do reservatório Convencional no dia 09/12/2008. . . . . . . . . 71

Figura 4.17 - Evolução das temperaturas no reservatório PP durante a noite

do dia 02 até o amanhecer do dia 03 de dezembro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Figura 4.18 - Evolução das temperaturas no reservatório PVC durante a noite

do dia 02 até o amanhecer do dia 03 de dezembro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Figura 4.19 - Evolução das temperaturas no reservatório Convencional durante

a noite do dia 02 até o amanhecer do dia 03 de dezembro. . . . . . . . . . . . . 77

Figura 4.20 - Radiação incidente no coletor no dia 04 de fevereiro de 2009. . . . . . . . . . 78

Figura 4.21 - Temperaturas no reservatório do coletor de PP dia 04/02/2009. . . . . . . . . 79

Figura 4.22 - Temperaturas no reservatório do coletor de PVC dia 04/02/2009. . . . . . . . 79

Figura 4.23 - Temperaturas do coletor de PP dia 04/02/2009. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Figura 4.24- Temperaturas do coletor de PVC dia 04/02/2009. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80


Figura 4.26 - Temperaturas no reservatório do coletor de PP dia 10/02/2009. . . . . . . . 82

Figura 4.27 - Temperaturas no reservatório do coletor de PVC dia 10/02/2009. . . . . . . 82




Figura 4.31 - Temperaturas do coletor de PP dia 10/02/2009. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Figura 4.32 - Temperaturas do coletor de PVC dia 10/02/2009. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Figura 4.33 - Radiação incidente no coletor no dia 30 de janeiro de 2009. . . . . . . . . . . . 86


iii





Figura 4.39 - Temperaturas no do coletor de PP dia 12/02/2009. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Figura 4.40 - Temperaturas no coletor de PP dia 12/02/2009. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Figura 4.41- Representação esquemática. do Sistema ASBC (Boiler de 90 L)

em operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Figura 4.42 - Temperatura média do fluido no interior do Boiler medida

experimentalmente ao longo de um dia de aquecimento, em

batelada e sem consumo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Figura 4.43 - Dinâmica da temperatura do fluido (Balanço de Energia) na

corrente de consumo do Boiler – “C” - para uma razão

de recirculação genérica – “Ri”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Figura 4.44 - Tempo necessário para que a temperatura do fluido na corrente

de consumo atinja o estado estacionário em função de diferentes

razões de recirculação no coletor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Figura 4.45 - Representação esquemática do Sistema ASBC (Boiler de 90 L)

em batelada e comportamento da temperatura média do fluido

no interior do reservatório em face da taxa mássica que escoa

pelo coletor (“S”) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Figura 4.46 - Tempo previsto para que o fluido no interior do Boiler atinja uma

temperatura média de 39ºC operando em batelada e a diferentes

taxas mássicas de escoamento pelo coletor (“S”) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Figura 4.47 - Perfis de Temperatura no interior do Boiler em função de “R” . . . . . . . . . 98

Figura 4.48 - Perfil de temperatura e temperatura média do fluido ao longo do

duto da corrente de consumo do Boiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Figura 4.49 - Temperatura Média do Fluido disponível ao usuário (corrente de

Consumo) obtida por meio das técnicas de CFD em face de

distintas “R”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

iv

Lista de Tabelas

Tabela 2.1- Conversão de qualquer data para número ordinal de 1 a 365 com

valores calculados para o dia médio de cada mês e declinação solar. . . . . . . 15

Tabela 2.2 - Valores da refletividade para diferentes tipos de superfície. . . . . . . . . . . . . 20

Tabela 2.3 - Constantes para a Equação (2.54) para Tubos Circulares com

Fluxo de Calor Constante. Número de Nusselt Local . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Tabela 3.1 - Características dos coletores solares sem cobertura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Tabela 3.2 - Informações computacionais utilizadas nas simulações numéricas . . . . . . . 57

Tabela 4.1 - Eficiência atingida pelos reservatórios térmicos em termossifão

dia 28/11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61


dia 02/12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Tabela 4.3 - Eficiência atingida pelos reservatórios térmicos com termossifão

dia 05/12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69


dia 09/12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Tabela 4.5 - Eficiência e Temperatura dos reservatórios nos 4 dias de medição . . . . . . . 72

Tabela 4.6 - Energia dissipada para o ambiente na noite de 02/12/2008. . . . . . . . . . . . . . 75



Tabela 4.9 - Eficiência dos reservatórios alternativos com vazão de recirculação

de 20 L/h. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Tabela 4.10 - Calor útil transferido à água com vazão de recirculação de 20 L/h. . . . . . . 80

Tabela 4.11 - Eficiência dos reservatórios alternativos com vazão de 40 L/h

no dia 10/02. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82


no dia 11/02. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84


v


no dia 30/01. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87


no dia 12/02. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88


Tabela 4.17 - Efeito da vazão na eficiência dos aquecedores solares . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Tabela 4.18 - Tabela comparativa de desempenho térmico dos aquecedores solares . . . . 91

vi

Simbologia A - área (m2)

pc - calor específico (J. kg-1.ºC-1)

C - Taxa mássica de consumo de água no boiler

cd - diâmetro do canal (m)

D - Diâmetro (m)

E - poder emissivo

F - fator de forma

F - Taxa mássica de abastecimento de água no boiler

G - fluxo de radiação (W. m-2)

scG - Constante Solar (W. m-2)

H - irradiação diária (kJ. m-2)

I - irradiação horária (kJ. m-2)

h - coeficiente de transferência de calor (W. m-2. C-1)

ch - altura do canal (m)

k - condutividade térmica (W. m-1. C-1)

Tk - índice de claridade

L - espessura (m)

locL - longitude do local

stL - meridiano padrão

Y - comprimento (m)

X - largura (m)

m - taxa mássica (kg s-1)

m - massa (kg)

n - dia do ano

cn - número de canais

Nu - número de Nusselt

P - perímetro molhado

Pr - número de Prandtl

q - taxa de radiação (W m-2)

Q - Calor (kJ)

vii

Q - Taxa mássica de água do coletor para o boiler

R – Razão de recirculação

Re – número de Reynolds

Ra - número de Rayleigh

S - Taxa mássica de água do boiler para o coletor

S - radiação solar absorvida (W. m-2)

T - Temperatura

t - tempo (s)

U - coeficiente global de transferência de calor (W. m-2. C-1)

u - umidade

V - velocidade do vento (m.s-1)

V - volume (L)

VR - coeficiente de correlação linear

η- eficiência térmica

Letras gregas τ - transmissividade

ρ - refletividade

α - absortividade

φ - Latitude

β - Inclinação da placa

γ - ângulo azimutal da superfície

δ - Declinação

ω - Ângulo horário

θ - Ângulo de incidência

zθ - Ângulo zenital

ϕ - Ângulo de altitude solar

viii

Subscritos

T - plano inclinado

0 - extraterrestre

a - ambiente ou do ar

b - direta

b - fundo

c - consumo

d - difusa

e - entra no coletor

s - sai do coletor

h - hidráulico

iso - isolamento

λ - comprimento de onda

ref - refletida

abs - absorvida

tr -transmitida

r - reservatório

p - placa

f - frio

q - quente

s - saída da placa

t - topo

trans - transversal

u - útil

w - vento

ix

RESUMO

Uma das alternativas para diminuir o consumo de energia elétrica para aquecimento de água será popularizar o uso da energia solar. Este trabalho vem a contribuir com estudos sobre o Aquecedor Solar de Baixo Custo, ASBC, que é um novo conceito de aquecedor solar de água para residência, todo feito de materiais poliméricos, com investimento relativamente pequeno e que pode ser construído manualmente. A placa do coletor, que absorve a energia solar e a transfere para a água na forma de calor, é formada por perfis planos de PVC rígido e sem cobertura. Outra opção de coletor solar que foi utilizada é a placa de polipropileno, que é um material com aditivo anti-UV, que assim como a placa de PVC teve seu desempenho térmico analisado neste trabalho. O reservatório térmico de cada um dos dois coletores é de polietileno revestido por isopor, responsável por armazenar a água aquecida durante o dia. Ambos os sistemas de aquecimento tiveram seus resultados comparados com o aquecedor convencional, formado por coletor de cobre recoberto por uma cobertura de vidro e um reservatório de aço inox. Uma bancada de ensaios para os coletores solares e reservatórios foi montada no Campus da UFU, avaliando a eficiência dos três sistemas com medidas de radiação solar incidente e de temperatura da água, com os sistemas trabalhando naturalmente (termossifão) e bombeados. As medidas de temperatura foram adquiridas por um sistema de aquisição de dados. Análises das perdas térmicas do reservatório de água quente foram feitas e assim foi possível estimar o desempenho térmico dos aquecedores solares. Os resultados mostraram que o coletor de polipropileno apresentou um desempenho térmico melhor que o coletor de forro de PVC, pois conseguiu transferir uma maior quantidade de calor útil para a água. Em relação aos reservatórios de baixo custo analisados, os mesmos apresentaram coeficientes globais de troca térmica com o ambiente dentro dos valores estipulados na literatura e atingiram valores de eficiência térmica e de temperatura praticamente similares quando operaram em termossifão. Quando bombeados, o aquecedor solar formado pelo coletor de polipropileno apresentou resultados relativamente melhores em relação ao aquecedor solar formado pelo coletor de PVC, e ambos os sistemas de aquecimento atingiram uma eficiência térmica maior trabalhando com vazões de 40 L/h. Considerando que a temperatura desejada a ser atingida pela água está um pouco acima da temperatura ambiente, os resultados obtidos demonstram que embora os aquecedores solares de baixo custo tenham atingido eficiências mais baixas em relação ao aquecedor convencional, os mesmos apresentaram um ótimo desempenho térmico. Assim, os benefícios econômicos, sociais e ambientais gerados quanto ao uso desta tecnologia de aquecimento de água devem ser amplamente divulgados e seu uso popularizado, principalmente entre a população de baixa renda. Aquecedor solar de baixo custo - Eficiência térmica – Energia solar

x

ABSTRACT

One alternative to reduce consumption of electric energy to heat water will be popularize the use of solar energy. This work comes to contribute of studies about the Low Cost Solar Heater , ASBC, which is a new concept of solar water heater for home, all made by polymeric materials with relatively small investment and can be built manually. The plate of the collector, which absorbs solar energy and transfers to the water in the form of heat, is composed of rigid PVC plans profiles and without coverage. Another option of solar collector which was used is a plate of polypropylene, a material with anti-UV additive, as well as the plate of PVC thermal performance was analyzed in this work. The thermal reservoir of each one the two collectors is polyethylene coated on polystyrene, which is responsible for storing the heated water during the day. Both heating systems had their results compared with the conventional heater, consisting of collector of copper covered by a cover glass and a stainless steel tank. A bench of tests for solar collectors and tanks were mounted on the campus of the UFU, evaluating the efficiency of systems with three measures of incident solar radiation and water temperature, working with systems naturally (thermosyphon) and pumped. The measures of temperature were acquired by a data acquisition system. Analyses of the heat losses from the reservoir of hot water were made and it was possible to estimate the thermal performance of solar heaters. The polypropylene collector showed a better thermal performance than PVC collector plates, it had transferred a greater quantity of useful heat to the water. For reservoirs of low cost analyzed, they had overall coefficients of heat exchange with the environment within the prescribed values of the literature and achieved values of thermal efficiency and temperature practically similar when operated in thermosyphon. When pumped, the solar heater of the polypropylene collector showed relatively results better than the solar heater of the PVC collector, and both systems have reached a greater thermal efficiency when pumped with flow rate of 40 L/h. Whereas the desired temperature to be reached by water is a little above the environment temperature, the results shows that although the low cost solar heaters have lower efficiencies achieved than conventional heater, they had a great thermal performance. Thus, the economic, social and environmental impacts generated with the use of this technology for residential water heating should be widely disseminated and popularized its use, especially among the poor. Low cost solar heater - thermal efficiency - Solar Energy

Capítulo I

CAPÍTULO I

INTRODUÇÃO

1.1 Justificativas

A radiação solar é essencial a toda a vida na Terra. Através de processos térmicos e

fotovoltaicos, a energia solar tem o potencial de satisfazer a maior parte da nossa demanda

por aquecimento de água e de ambientes, calor para processos industriais e eletricidade.

Dentre estas aplicações, o aquecimento de água pode ser feito com facilidade por meio da

utilização de aquecedores solares.

O aquecimento de água para fins residenciais é uma aplicação prática da energia

solar e é um assunto que precisa ser amplamente avaliado. Deve haver um incentivo ao uso de

energia solar, para que os benefícios econômicos, ambientais e sociais desta tecnologia

possam cada vez mais ocupar o lugar de destaque no panorama energético brasileiro.

Praticamente todas as regiões do Brasil recebem mais de 2200 horas de insolação,

com um potencial para a captação da energia equivalente a 15 trilhões de MWh,

correspondentes a 50 mil vezes o consumo nacional de eletricidade segundo o Atlas Brasileiro

de Energia Solar, 2006, publicado pelo INPE -Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais.

Ainda assim o aquecimento de água na maioria das residências brasileiras é feito por

chuveiros elétricos, equipamentos de grande consumo de energia elétrica ao longo de sua vida

útil e que geram importantes demandas de capital para o setor elétrico.

No ano de 2004, o consumo de energia elétrica no setor residencial foi de 78,5 TWh,

atendendo a cerca de 46,8 milhões de consumidores. O setor residencial responde por 24% do

consumo total de energia elétrica no país e, dentro deste setor, tem-se uma participação média

de 26% do consumo total atribuído ao aquecimento de água (PROCEL, 2005).

Segundo Rodrigues e Matajs (2005), os chuveiros elétricos sao responsáveis por 18%

da demanda de pico do sistema. A região Sudeste tem a maior participação no uso de chuveiro

elétrico no país, 65%, apresentando um consumo de 14,2 GWh/dia de energia do chuveiro

elétrico em 1998.

O aquecimento solar no Brasil começou a ser desenvolvido comercialmente na

década de 70, mas foi nos anos 90 que o mercado obteve taxas de crescimento elevadas,

principalmente devidas á implantação do PBE – Programa Brasileiro de Etiquetagem.

Capítulo I

2

A tecnologia termossolar reduz o dano ambiental associado às fontes de energia

convencionais: não produz emissões de gases tóxicos à atmosfera e não deixa resíduo como

lixo radioativo. A tecnologia apresenta benefícios sociais como a redução da conta de energia

elétrica, a geração de empregos por unidade de energia transformada, a descentralização da

sua produção e a comercialização de certificados de redução de emissões de carbono.

Os aquecedores solares são candidatos à obtenção de recursos do Mecanismo de

Desenvolvimento Limpo (MDL) do Protocolo de Quioto, que promove o uso de fontes

renováveis de energia, fornecendo recursos como contrapartida a reduções na emissão de

gases que produzem o efeito estufa e impulsionando a prolifieração dessa tecnologia.

Vários países, com níveis de insolação menores que o Brasil, fazem uso intensivo da

energia solar. Em 2002, a área instalada per capta de coletores solares no Brasil era de 1,2

m²/100 habitantes, consideravelmente menor que em Israel (67,1 m²/100 habitantes), Áustria

(17,5 m²/100 habitantes), Grécia (20 m²/100 habitantes), e China (3,2 m²/100 habitantes).

Segundo o Programa de Aquecimento e Refrigeração Solar da Agência Internacional de

Energia (IEA), a média atual de coletores solares por habitante para os países filiados à

agencia é de 0,04 m² por habitante. Para alcançar a média dos países afiliados à IEA, a área

instalada de coletores solares no Brasil, que em 2005 era pouco maior que dois milhões de

metros quadrados, deveria ser de sete milhões de metros quadrados (RODRIGUES;

MATAJS, 2005). A partir destes valores, estima-se que um grande crescimento do número de

instalações de aquecedores solares pode ser esperado no futuro.

Para suprir essa demanda potencial por aquecedores solares, a produção brasileira

teria de crescer significativamente. Esta cresceu para pouco menos de 500 mil m² em 2001,

ano da crise de oferta de energia elétrica. Já em 2002, a produção caiu para 300 mil m² por

ano.

A área acumulada instalada de coletores solares no Brasil em 2003 era de 2,5

milhões de metros quadrados, que representa um deslocamento de demanda de mais de 1200

MW no horário de ponta e o equivalente a geração anual de energia de pelo menos 1700 GWh

(ABRAVA -Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e

Aquecimento).

O aumento na utilização de aquecedores solares pode incorporar vantagens para as

distribuidoras de energia elétrica, como a diminuição da inadimplência e o pagamento de

impostos sobre a energia fornecida e não recebida de consumidores de baixa renda, a melhoria

da qualidade do serviço, a melhoria da imagem das empresas e o deslocamento de carga do

pico de demanda.

Capítulo I

3

Vale destacar a obrigação de aplicação de recursos das concessionárias em ações de

combate ao desperdício de energia como uma ferramenta do marco regulatório do setor

elétrico que permite impulsionar a tecnologia termossolar. Pela Lei Federal nº 9.991, de

24/7/00, as concessionárias devem aplicar 1% de sua receita líquida operacional anual em

projetos de eficiência energética (50%) e de pesquisa e desenvolvimento (50%), ação regulada

pelas resoluções 271 e 492 da Aneel.

Um exemplo prático de ação originada da aplicação da lei supracitada é a instalação

gratuita de aquecedores solar em comunidades de baixa renda na baixada fluminense dada

pela distribuidora Light Rio e em MG, pela parceria entre a Cemig e a Cohab. Outras

vantagens sociais do uso dessa tecnologia são ilustradas pelo Projeto Contagem, em Belo

Horizonte, propiciando aos moradores do bairro Sapucaias uma economia média de energia

de 25,5%, proporcional ao uso do chuveiro. Com base nesses resultados, a Caixa Econômica

Federal criou uma nova opção de linha de financiamento para a casa própria popular.

Em relação aos sistemas de aquecimento solares de baixo custo, podem ser

considerados coletores solares populares aqueles equipamentos que apresentam baixo custo

em função dos materiais utilizados em sua produção e da simplificação dos processos de

fabricação.

Pode ser desejável projetar um aquecedor solar de baixo custo com uma eficiência

mais baixa, se o custo do mesmo for significativamente reduzido com a construção de

coletores mais simples, sem caixa de isolamento e sem cobertura transparente. Como o intuito

é produzir um aquecimento de menor intensidade, o uso de materiais nobres de alta

condutividade térmica pode dar lugar a materiais mais baratos e simples como plásticos.

Vários fatores cooperam no Brasil para a criação e operação econômica do ASBC

(sigla referente ao Aquecedor Solar de Baixo Custo): altas temperaturas médias diárias e farta

iluminação solar bem distribuída no ano; a presença de uma caixa de água no forro da maioria

das casas brasileiras, que é sinônimo de baixa pressão para o reservatório térmico; o fato desta

tecnologia ter abrangência e uso nacional, pela sua simplicidade e baixo preço; o uso do PVC,

material fácil de ser encontrado; a presença na maioria das casas brasileiras do chuveiro

elétrico que pode ser utilizado como aquecedor de apoio em dias nublados.

O ASBC pode ser utilizado tanto em instalações menores, como residências (Fig

1.1(a)) quanto em instalações de médio porte, como creches, escolas, academias, quartéis,

lares assistenciais, etc. assim como na agricultura (Fig 1.1 (b)). Um sistema de 1000L serve

para banhar de 30 a 50 crianças e de 20 a 40 adultos, e pode-se admitir uma vida de 10 anos e

Capítulo I

4

um valor de implantação R$ 1000, 00, segundo site da Organização Não Governamental

(ONG) Sociedade do Sol.

Figura 1.1- Sistema ASBC formado por placa de PVC. (a) volume do reservatório de 200 L. (b) volume do reservatório de 3000 L (6 baterias com 5 coletores em cada).

Assim, o aquecimento solar de água se mostra como uma das medidas mais viáveis

técnica e economicamente no setor residencial e adequado para receber maiores incentivos.

1.2 Objetivos

Devido aos pontos discutidos anteriormente e com o intuito de divulgar as vantagens

e o potencial dessa tecnologia com grande viés social para aquecimento de água, o objetivo

principal deste trabalho é construir uma unidade experimental com os aquecedores solares de

baixo custo e comparar seus desempenhos com o de um aquecedor solar convencional.

A comparação dos três sistemas de aquecimento será feita pela análise de

desempenho térmico dos mesmos, levando em conta a eficiência, o tempo necessário que cada

tipo de aquecedor solar leva para atingir uma determinada temperatura e o valor da

temperatura máxima alcançada, com os sistemas trabalhando em regimes de termossifão e

bombeado.

Além da questão tecnológica, pretende-se destacar as vantagens econômicas na

utilização do ASBC.

(a) volume do reservatório de 200 L. (b) volume do reservatório de 3000 L.

Capítulo II

CAPÍTULO II

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 A Radiação Solar

A radiação solar ou radiação de onda curta é a radiação originada do sol, numa

temperatura de cerca de 6000 K e substancialmente num intervalo de comprimento de onda

entre 0,3 mµ a 3,0 mµ , com o pico de emissão ocorrendo em aproximadamente 0,50 mµ . O

espectro eletromagnético completo da radiação solar está delineado na Figura 2.1. Já a

radiação de onda longa é a radiação originada em fontes que estão em temperaturas próximas

à temperatura ambiente e, portanto, com comprimentos de onda substancialmente superiores a

3,0 mµ . É a radiação emitida pela atmosfera e pela maioria das superfícies absorvedoras de

energia existentes na Terra, como um coletor solar ou pelo solo.

A radiação pode ser descrita como a propagação de ondas eletromagnéticas,

atribuindo à mesma as propriedades típicas de uma onda. A radiação térmica é a fração

intermediária do espectro, que se estende aproximadamente de 0,1 até 100 mµ e que inclui

uma fração da região UV e todo o espectro visível e infravermelho (IV).

Figura 2.1- Espectro da radiação eletromagnética (INCROPERA; DEWITT, 1998).

Capítulo II

6

A Figura 2.2 apresenta esquematicamente a relação geométrica do sol com a terra. A

excentricidade da órbita elíptica da Terra ao redor do sol é tanta que distância entre o sol e a

terra varia aproximadamente 1,7%.

A variação da distância terra-sol, porém leva à variação do fluxo de radiação

extraterrestre em uma faixa de aproximadamente 3%. Por esta razão no início de janeiro a

terra está mais próxima ao sol e mais afastada no início de julho. Este afastamento

corresponde a 3,3% mais distante em relação à posição de 1º de janeiro e por este fato a

radiação solar que chega a terra é 7% menor (BEZERRA, 1998).

Figura 2.2- Relação espacial sol-terra (DUFFIE; BECKMAN, 1980).

Por definição a irradiância ou fluxo de radiação é a energia incidente ou emitida num

plano, por unidade de área e por unidade de tempo proveniente de todas as direções num

plano. No caso de emissão inclui a componentes refletidas e transmitidas além daquela

emitida conforme seu nível de temperatura, sendo representado pelo símbolo G [ ²/W m ]. A

irradiação ou Exposição Radiante ou Insolação é a energia incidente sobre um plano, por

unidade de área, devido a sua exposição ao fluxo de radiação solar, durante certo intervalo de

tempo. É obtida pela integração da irradiância, sendo descrita usualmente em horas ( I ), dias

( H ) ou meses ( H−

) [ ²/kJ m ].

Com relação à magnitude e as dependência espectral e direcional da radiação solar

incidente, a radiação na extremidade externa da atmosfera terrestre comporta-se como um

feixe de raios praticamente paralelos que formam um ângulo θ com a vertical, conforme

Figura 2.3.

21353 /scG W m=

(Constante Solar)

Capítulo II

7

Figura 2.3- Natureza direcional da radiação solar fora da atmosfera terrestre (INCROPERA; DEWITT, 1998).

A irradiação solar extraterrestre, Go , depende da latitude geográfica, da hora do dia

e do dia do ano e da Constante Solar, Gsc , que é definida como o fluxo de radiação solar

recebido por uma superfície posicionada perpendicularmente à direção de propagação da

radiação, fora da atmosfera terrestre na distância média da terra ao sol e seu valor é em média

1353 ²/W m , conforme NBR 10.184 - “Coletores solares planos para líquidos” Determinação

do rendimento térmico, 1983.

Nas proximidades da superfície solar, a contribuição energética é de 8 / ²kW cm , isto

admitindo-se o sol um corpo negro a 5800 K. Na superfície da terra esta contribuição

energética assume valores práticos da ordem de 1,2 / ²kW cm (BEZERRA, 1998).

2.2 Determinação da Constante Solar (Gsc )

A radiação emitida pelo sol e sua relação espacial com a terra resultam em uma

intensidade, considerada fixa, da radiação solar fora da atmosfera terrestre, chamada

Constante Solar.

Por definição, um corpo negro é um perfeito absorvedor e emissor de radiação.

Nenhuma superfície pode emitir mais radiação do que um corpo negro à mesma temperatura.

Embora um verdadeiro corpo negro não exista na natureza, alguns materiais apresentam

comportamento que se aproxima do de um corpo negro.

Em geral, a radiação pode deixar uma superfície devido à reflexão e à emissão.

Contudo, há uma simplificação quando as superfícies podem ser aproximadas por corpos

Capítulo II

8

negros, uma vez que não há reflexão. Dessa forma, a energia deixa a superfície apenas como

resultado da emissão, e toda a radiação incidente é absorvida (INCROPERA; DEWITT,

1998).

Então, define-se qt s→ como a taxa na qual a radiação deixa a superfície da terra e é

interceptada pela superfície do sol, segue-se que:

q A F Et ts tt s =→ (2.1)

na qual, At é a área da superfície da terra 2m� �� , Et é o poder emissivo da superfície terrestre,

considerando-a como uma superfície negra e Fts é o fator de forma definido como a fração da

radiação que deixa a superfície da Terra e é interceptada pela superfície do sol, sendo a

mesmo obtida pela Equação (2.2) (INCROPERA; DEWITT, 1998):

1co s co s

²

Fts t s d A d AA t st RA At s

θ θ

π

= � � (2.2)

na qual, As é a área da superfície do sol 2m� �� e R , tθ e sθ são indicados conforme Figura 2.4:

Figura 2.4 – Radiação da terra pelo sol (INCROPERA; DEWITT, 1998).

Capítulo II

9

Reconhecendo que tθ , sθ e R são aproximadamente independentes da posição

sobre tA ,essa expressão se reduz a :

cos cos²

tFts s dAsRAs

θ θ

π

= � (2.3)

ou, com stθ θ θ= ≡ ,

cos ²²

FtsdAs

RAs

θ

π

= � (2.4)

como 2 2 2,cos LR r L

Rθ

� ��

= + = , segue-se que

( )

22

2 2 22 2

/ 2

24

Drdr D

F LtsD L

r L

=++0

= � (2.5)

na qual, D é o diâmetro do sol (1,39x109 m) e L é a distância do sol à Terra (1,50x1011m),

Analogamente,

q A F Es st ss t =→ (2.6)

A relação entre = A F A Fs st t ts é uma expressão conhecida como relação de

reciprocidade.

Então, considerando que a troca de radiação entre duas superfícies negras como o sol

e a Terra, chega-se a:

4 4( )q q q A F T Tt ts t sts t s s t− = σ→ →= − (2.7)

Capítulo II

10

na qual, σ é definida como constante de Stefan-Boltzman e seu valor é 2 48 /5,670 10 W m Kx − ,

Tt e Ts são as temperaturas da Terra e do sol respectivamente. A temperatura da superfície

do sol se aproxima de 5800 K, e a superfície da Terra pode ser encontrada pela expressão de

Swinbank (1963) que relaciona a temperatura do céu Tcéu com a temperatura do ar local, Ta :

1,50, 0552TT acéu = (2.8)

Conforme a Equação (2.8), para Ta = 300 K, a temperatura do céu Tcéu é 286,82 K,

que é igual à temperatura da superfície da Terra, tT , e considerando que o raio da Terra é

6378100 m, pelas equações (2.5) e (2.7) tem-se que a troca radiante líquida entre as duas

superfícies é =1377, 410 qts / ²W m , que pode ser comparada à radiação solar extraterrestre,

se aproximando assim do valor médio definido para a Constante Solar, Gsc , como 1353

/ ²W m , conforme NBR 10.184. Neste trabalho será usado o valor médio estipulado pela

referida norma.

2.3 Radiação direta e difusa

A radiação solar pode ser classificada como de natureza direta ou difusa. Por

definição a radiação solar direta é a radiação solar recebida do sol sem ter sido espalhada pela

atmosfera, sendo representada pelo símbolo Ib e a radiação solar difusa é a radiação solar

recebida do sol depois da sua direção original ter sido modificada por reflexão ou

espalhamento da atmosfera, sendo representada pelo símbolo Id . A soma da radiação direta

mais a radiação difusa incidente em uma superfície é a radiação solar total, sendo

representada pelo símbolo I para o caso da radiação total incidente numa superfície

horizontal e IT para o caso da radiação total incidente numa superfície inclinada em relação à

horizontal.

À medida que a radiação solar atravessa a atmosfera terrestre, sua magnitude e suas

distribuições espectrais e direcionais experimentam uma mudança significativa.

A radiação solar recebida em uma superfície da terra sofre variações devido a

mudanças na radiação extraterrestre, e devido a dois adicionais e mais significantes

fenômenos, o espalhamento e a absorção atmosférica. O espalhamento atmosférico resulta na

Capítulo II

11

atenuação da radiação direta e proporciona um redirecionamento dos raios solares e ocorre de

duas formas distintas, pelo espalhamento (difusão) de Rayleigh, provocado por moléculas de

gases, que proporciona um espalhamento praticamente uniforme da radiação em todas as

direções, e pelo espalhamento de Mie, provocado pela poeira e partícula dos aerossóis, que

está concentrada em direções próximas às dos raios incidentes.

Figura 2.5 -Espalhamento da radiação solar na atmosfera terrestre (INCROPERA; DEWITT, 1998).

Somado a isto, ocorre a absorção da radiação na atmosfera pelos gases atmosféricos,

devido ao O3 (absorção do ultravioleta e luz visível), O2 (absorção de parte da luz visível),

H2O e CO2 (absorção do infravermelho e luz visível). Ao longo de todo espectro solar, existe

também uma absorção contínua de radiação pela poeira e pelos aerossóis presentes na

atmosfera. (INCROPERA; DEWITT, 1998).

A distribuição espectral da radiação solar é praticamente proporcional à da emissão

de um corpo negro a 5800 K. Já ao nível do mar, a curva de distribuição energética fica

bastante atenuada em virtude de seu enfraquecimento nos vários comprimentos de onda,

porém, mesmo com uma camada atmosférica de 145 km de espessura, a radiação produz

energia a um alto potencial energético.

Capítulo II

12

2.4 Absorção, reflexão e transmissão por uma superfície

A irradiação espectral Gλ ( )/ ²W m mµ pode incidir de todas as direções possíveis e

ter a sua origem em diversas fontes. A irradiação total G ( )/ ²W m engloba todas as

contribuições espectrais.

Na superfície da Terra a radiação pode interagir com um meio semitransparente, tal

como uma placa de vidro de um coletor solar. Para um componente espectral, frações dessa

radiação podem ser refletidas, absorvidas e transmitidas, como mostra a Figura 2.6.

Figura 2.6- Processos de absorção, reflexão e transmissão em um meio semitransparente (INCROPERA; DEWITT, 1998).

A partir de um balanço da energia radiante no meio segue-se que:

, , ,G G G Gref abs tr= + +λ λ λ λ (2.9)

A transmissão, reflexão e absorção da radiação solar pelas várias partes de um

coletor solar são importantes na determinação do seu desempenho. A transmissividade, τ ,

refletividade, ρ , e absortividade, α , são funções da radiação incidente, da espessura do

material, do índice de refração, n , do coeficiente de extinção, κ , e da temperatura superficial

do material. Geralmente o índice de refração e o coeficiente de extinção são funções do

comprimento de onda e da direção da radiação incidente (DUFFIE; BECKMAN, 1980).

Para a cobertura transparente do coletor, o vidro deverá ter alta transmissividade e

um mínimo de refletividade e absortividade da radiação solar (BEZERRA, 1998).

Capítulo II

13

A partir do balanço de radiação dado pela Equação (2.9), para um meio

semitransparente à radiação incidente, e assumindo valores médios das propriedades ao longo

de todo o espectro, segue-se que:

ρ + α + τ =1 (2.10)

2.5 Predição de radiação em um plano inclinado

O conhecimento da intensidade de radiação solar que atinge uma dada placa coletora

e a temperatura ambiente são de fundamental importância para determinação do desempenho

da mesma, seja a curto ou em longo prazo. Os dados climáticos usados nas simulações podem

ser dados reais obtidos através de estações meteorológicas ou dados gerados por modelos

empíricos, que de alguma forma também são baseados em dados medidos. Neste trabalho

foram utilizados dados coletados pelo Instituto de Geografia da Universidade Federal de

Uberlândia, os quais são divulgados diariamente através do sítio www.inmet.gov.br.

Os dados fornecidos pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), em períodos

horários, são: insolação, temperatura ambiente, velocidade do vento, e umidade do ar. Os

dados de radiação solar fornecido foram coletados numa superfície horizontal, por isso faz-se

necessária à estimação da radiação num plano inclinado, que é o caso do coletor solar. Nesta

seção, será apresentado um modelo de predição de radiação incidente em superfície inclinada,

que neste trabalho possui uma inclinação de 30º.

A radiação em uma superfície inclinada é composta por três componentes: a radiação

direta proveniente do sol, a radiação difusa isotrópica e a radiação solar difusamente refletida

pelo solo. A seguir serão apresentadas definições sobre geometria solar e o modelo empírico a

ser empregado.

2.5.1 Direção da radiação direta incidente sobre uma superfície

As relações geométricas entre o plano de uma orientação particular relativa à Terra

em algum tempo e a radiação solar direta incidente, que é, a posição relativa do sol no plano,

pode ser descrita em termos de diversos ângulos (BENFORD; BOCK, 1939). A relação entre

estes ângulos é ilustrada na Figura 2.7 e são apresentadas as seguintes definições:

Capítulo II

14

Figura 2.7 - Ângulo zenital, inclinação e ângulo azimutal da superfície.

φ : Latitude - localização angular norte ou sul do Equador, hemisfério norte positivo

(-90º�φ � 90º).

β : Inclinação – ângulo entre o plano da superfície em questão e a horizontal

(0º�β�180º).

γ : ângulo azimutal da superfície – desvio da projeção no plano horizontal da normal

à superfície em relação ao meridiano local, no sul é zero, para leste é negativo e para oeste é

positivo (-180º� γ � 180º).

δ : Declinação – posição angular do sol no meio dia solar em relação ao plano do

Equador, hemisfério norte positivo (-23,45º�δ� 23,45º). A declinação, δ pode ser

encontrada pela equação de Cooper(1969):

( )( )360

365

nsen

� �284 +23,45 �

� � �

×δ = × (2.11)

na qual, n é o dia do ano.

A Tabela 1 apresenta os valores de declinação com relação ao dia típico de cada mês

do ano. O dia típico é o dia no qual a radiação extraterrestre mais se aproxima do valor médio

da radiação solar extraterrestre de todo o mês. Segundo Duffie e Backman (1980), este dia é o

mais representativo do mês e é selecionado para o cálculo da declinação.

Capítulo II

15

Tabela 2.1 - Conversão de qualquer data para número ordinal de 1 a 365 com valores calculados para o dia médio de cada mês e declinação solar. Fonte: DUFFIE, BACKMAN,

1980. Mês Dia típico do mês data n , dia do ano δ , Declinação janeiro i 17 17 -20,9 Fevereiro 31+i 16 47 -13,0 Março 59+i 16 75 -2,4 Abril 90+i 15 105 9,4 Maio 120+i 15 135 18,8 Junho 151+i 11 162 23,1 Julho 181+i 17 198 21,2 Agosto 212+i 16 228 13,5 Setembro 243+i 15 258 2,2 Outubro 273+i 15 288 -9,6 Novembro 304+i 14 318 -18,9 Dezembro 334+i 10 344 -23,0

ω : Ângulo horário – deslocamento angular do sol para leste ou oeste do meridiano

local devido à rotação da Terra no seu eixo em 15º por hora. Possui valor negativo no período

da manhã e positivo a tarde. O ângulo horário é expresso em graus, em função do tempo solar

(hora de Greenwich), da longitude do local (positivo para leste de Greenwich) e de uma

expressão que leva em consideração a velocidade de rotação da Terra como função do dia do

ano, d .

Hora solar = hora padrão+ 4 ( )L L Est loc− + (2.12)

com

( ) ( )2 7,53cos 1,5E sen B B sen B= 9,87 − − (2.13)

em que

( )360 81

364

nB

−= (2.14)

na qual, E é a equação do tempo em minutos, Lst é o meridiano padrão, Lloc é a

longitude do local em questão em graus para o oeste e n é o dia do ano , 1� n � 365.

θ : Ângulo de incidência – ângulo entre a radiação direta e a normal à superfície

inclinada.

Capítulo II

16

zθ : Ângulo zenital – ângulo formado entre os raios solares e a vertical.

ϕ : Ângulo de altitude solar: ângulo formado entre os raios solares e sua projeção no

plano horizontal. Podemos concluir que:

ϕ+ zθ = 90º (2.15)

A equação que relaciona o ângulo de incidência da radiação solar direta e os outros

ângulos é:

cos cos cos cos cos cos cos cos

cos cos cos cos

sen sen sen sen

sen sen sen sen sen

θ φ φ φ

φ

= δ β − δ β γ + δ β ω +

+ δ β γ ω + δ β γ ω (2.16)

Para superfícies inclinadas em relação ao norte ou sul, com um ângulo azimutal, γ ,

de 0º ou 180º (orientação ótima e comum para coletores planos inclinados), o último termo da

Equação (2.16) é cancelado. Para superfícies horizontais, = 0β , o ângulo de incidência é o

ângulo zenital do sol, zθ . A Equação (2.16) torna-se:

cos cos cos cos sen senzθ φ φ = δ ω+ δ (2.17)

A Equação (2.17) pode ser resolvida para o ângulo horário correspondente ao pôr do

sol, quando zθ = 90º:

cos tan tans φω = − δ (2.18)

na qual, sω é o ângulo horário do pôr do sol.

Duffie e Beckman (1980) apresentam a expressão para o cálculo do numero de horas

de insolação de um determinado ponto sobre a superfície da Terra:

( )2 1cos tan tan

15N φ−= − δ (2.19)

Capítulo II

17

2.5.2 Radiação horária total na superfície horizontal ( I )

Dados de radiação solar estão disponíveis em diversas formas. As informações de

insolação divulgadas diariamente pelo INMET são valores de radiação integrados sob um

período de 1 hora em 2/kJ m , sendo que a radiação total (inclui as radiações direta e difusa) é

medida de hora em hora por um instrumento chamado piranômetro, que se encontra na

orientação horizontal.

2.5.3 Modelo empírico de predição de radiação em superfície inclinada

2.5.3.1 Radiação horária extraterrestre em um plano horizontal ( 0I ):

Diversos tipos de cálculos de radiação são mais convenientemente feitos usando

nível de radiação normalizado, que é a possível radiação que seria disponível caso na terra

não houvesse atmosfera.

Segundo Duffie e Backman (1980), a dependência da radiação extraterrestre com o

tempo no ano é indicada na Equação (2.20). Em algum instante entre o nascer e o por do sol, a

radiação solar fora da atmosfera incidente em um plano horizontal no dia n do ano é:

( )360

1 0,033cos cos cos cos0365

nG G sen sensc φ φ

� �� = + δ + δ ω� �

�� (2.20)

na qual, 0G é a radiação extraterrestre incidente no plano horizontal 2/W m� ��

,Gsc é a

constante solar e n é o número que corresponde ao dia do ano.

É de interesse calcular a radiação extraterrestre na superfície horizontal para um

período de uma hora, pois os dados climatológicos do INMET são divulgados de hora em

hora. Integrando a Equação (2.20) para um período definido pelo ângulo horário ω1 e ω2 que

definem uma hora (onde ω2 é o maior ângulo):

Capítulo II

18

( )( )

12 3600 3601 0,033cos0

365

2cos cos

360

nI Gsc

sen sen sen sen

π

πφ φ

� �� = + � �

��

� �ω − ω2 1× δ ω − ω + δ2 1� � �

×

(2.21)

na qual, 0I é a radiação solar extraterrestre no plano horizontal, 2/kJ m� ��

, ω1 e ω2 são os

ângulos horários limites que compreendem o período de integração [ º ].

2.5.3.2 Componente direta e difusa da radiação horária total na superfície horizontal

( Ib e Id )

Os dados de radiação solar são usados em diversas formas e para diversos fins. A

informação mais detalhada que se tem é a radiação solar direta e difusa em uma superfície

horizontal, por hora, que é útil em simulações de processos que envolvem a utilização de

radiações solares.

O método para calcular a radiação total em superfície de outra orientação a partir de

dados disponíveis para superfície horizontal requer tratamentos separados da radiação direta e

difusa.

A radiação difusa representa de 10% a 16% da radiação direta total que chega a

superfície da terra num dia ensolarado e sem nuvens. Com o tempo parcialmente nublado, ela

pode atingir até 50% e em dias completamente cobertos, corresponde à radiação global

(BEZERRA, 1998).

Existem vários métodos para estimação da radiação difusa horária a partir de dados

de radiação horária total incidente em uma superfície horizontal. Uma maneira de estimar a

fração de radiação horária no plano horizontal que é difusa é o método de Reindl; Beckman;

Duffie (1990) que relaciona /I Id com índice de claridade kT , o ângulo de altitude solar ϕ,

a temperatura ambiente, e a umidade relativa. A variável kT é definida como a razão entre a

radiação solar horária total em uma superfície horizontal e a radiação horária extraterrestre

(no topo da atmosfera):

0

IkT I

= (2.22)

Capítulo II

19

As equações para esta correlação são:

• Intervalo: 0< kT <0,3; Limites: /I Id <1,

1,0 0, 232 0,0239 ( 0,0195100

I udK sen TT a

I

� �= − + ϕ) − 0.000682 + �

� (2.23)

• Intervalo: 0,3< kT <0,78; Limites: 0,1< /I Id <0,97

1,329 1.716 0,267 ( 0,106100

I udK sen TT a

I

� �= − + ϕ) − 0.00357 + �

� (2.24)

• Intervalo: 0,78< kT Limites: /I Id <0,1

0, 426 0,256 ( 0,0734100

I udK sen TT a

I

� �= − ϕ) − 0.00349 + �

� (2.25)

na qual, Id é a radiação difusa horária 2/kJ m� �� ; I é a radiação solar horária total no plano

horizontal 2/kJ m� �� ; kT é o índice de claridade [adimensional] ; Ta é a temperatura ambiente

[ºC] ; u é a umidade relativa [%] e ϕ é o ângulo de altitude solar [º].

2.5.3.3 Radiação total em superfícies inclinadas fixas ( IT )

Geralmente a radiação solar global é medida em uma superfície horizontal. Mas para

aplicações da energia solar e para projeto ambiental térmico, o conhecimento da radiação na

superfície inclinada é requerido. Diversos métodos existem para obtenção da radiação solar na

superfície inclinada.

Coletores solares planos absorvem ambas as componentes diretas e difusas da

radiação solar. Para usar dados de radiação total na horizontal para estimar radiação no plano

inclinado de um coletor de orientação fixa, é necessário conhecer R , que é a razão da

radiação total em superfície inclinada pela radiação na superfície horizontal:

1 cos 1 cos

2

I I Ib dTR RbI I I

= ++ β − β� � � �

= + ρ� � 2 � �

(2.26)

Capítulo II

20

na qual, IT é a radiação solar total horária em superfície inclinada 2/kJ m� �� , Ib é a radiação

direta horária 2/kJ m� �� ; Rb é a razão entre a radiação direta horária na superfície inclinada

pela radiação direta horária no plano horizontal [adimensional], ρ é a refletividade do solo

[adimensional], (1 cos / 2+ β) é o fator de forma do coletor de inclinaçãoβ com o céu e

(1 cos / 2− β) é o fator de forma do coletor com a superfície circundante.

Segundo Duffie; Beckman (1980), o fator bR é calculado pela seguinte expressão:

cos

cos Z

Rbθ

θ= (2.27)

A radiação solar total na superfície inclinada para uma hora é a contribuição da

radiação direta, radiação solar difusa do céu e radiação solar difusamente refletida pelo solo:

( )1 cos 1 cos

2I I I I Ib b d b dT R

+ β − β� � � �= + + + ρ� �

2 � � (2.28)

Na Tabela 2.2 são ilustrados alguns valores para refletividade do solo (albedo), ρ ,

extraídos de Ríspoli (2008), que podem ser empregados na respectiva componente do albedo.

Tabela 2.2 - Valores da refletividade para diferentes tipos de superfície

Tipos de superfície Albedo (%) Solo negro e seco 14 Solo nu 7 a 20 Areia 15 a 25 Florestas 3 a 10 Campos naturais 3 a 15 Campos de cultivo seco 20 a 25 Gramados 15 a 30 Neve recém caída 80 Neve caída a semanas 50 a 70 Água com altura solar > 40% 2 a 4 Água com altura solar < 30% 6 a 40 Cidades 4 a 18

Liu e Jordan (1963) sugeriram um valor de 0,2 para a refletividade difusa do meio

circundante (albedo) quando não há neve.

Capítulo II

21

2.6 Principais componentes do sistema de aquecimento solar de água convencional

A maioria dos aquecedores solares fabricados no Brasil tem como fluido térmico a

própria água, e são compostos por dois itens básicos: a placa coletora solar e o reservatório

térmico (boiler). Adicionados a estes itens têm-se as tubulações e conexões, podendo possuir

ou não uma fonte auxiliar de energia. O desempenho de cada um destes componentes é

relacionado um com outro.

A água de alimentação do sistema entra no boiler, segue para as placas

coletoras, onde é aquecida, e retorna ao boiler, ficando armazenada até o seu consumo,

conforme ilustrado na Figura 2.8.

Figura 2.8 - Sistema de aquecimento solar de água convencional.

Lima (2003) otimizou projetos de sistemas de aquecimento solar de água em

edificações residenciais utilizando o programa TRNSYS, que utiliza uma rotina de simulação

numérica em longo prazo em regime transiente, fornecendo como resultados a inclinação e a

área da placa coletora que resulta no mínimo custo ao longo da vida útil do equipamento.

Capítulo II

22

2.6.1 Reservatório

A fim de garantir o suprimento noturno de água quente assim como nos dias

chuvosos, a água previamente aquecida durante o dia na placa coletora é armazenada em um

tanque termicamente isolado, denominado boiler, parte integrante do sistema de aquecimento

e de maior custo. É feito de materiais como alumínio, cobre ou aço inox com duas superfícies

cilíndricas, uma interna e outra externa, sendo adicionado entre elas geralmente materiais de

baixa condutividade térmica como lã de vidro ou espuma de poliuretano para diminuição das

perdas térmicas para o ambiente. Chegam a apresentar volumes de até 15 mil litros, verticais

ou horizontais, de baixa pressão (trabalham com até 5 mca) ou de alta pressão (trabalham com

até 20 mca). O boiler pode ser de nível (colocado no mesmo nível da caixa de suprimento de

água fria) ou de desnível (abaixo da caixa de suprimento de água fria). A escolha vai depender

da altura da cumeeira da residência.

2.6.2 Coletor solar

É o principal componente de um sistema de aquecimento solar. Promove a

conversão da radiação solar, transferindo o fluxo energético proveniente da radiação incidente

para o fluido que circula no interior do mesmo.

Coletores solares devem ter alta transmissividade e absortividade da radiação.

Algumas vezes, eles perdem energia pela combinação de mecanismos de convecção e

condução de calor, incluindo radiação térmica da superfície absorvedora e é desejável que a

emitância da superfície seja a mais baixa possível para reduzir as perdas (DUFFIE;

BECKMAN, 1980)

Além das propriedades ópticas dos materiais que constituem um coletor, outros

fatores também afetam o desempenho do mesmo, como a quantidade de energia solar

disponível no local, e a temperatura da água na entrada do sistema.

Os principais tipos de coletores solares são os concentradores e os de placa plana. Os

coletores concentradores são projetados para que se atinjam temperaturas mais elevadas e os

coletores planos são utilizados quando a temperatura desejada é apenas um pouco superior a

temperatura ambiente.

O marco que regulamenta a tecnologia de aquecimento de água com energia solar no

Brasil é o Programa Brasileiro de Etiquetagem de Coletores Solares Planos, resultante de um

esforço conjunto do Governo Brasileiro, representado pelo Instituto Nacional de Metrologia,

Capítulo II

23

Normalização e Qualidade Industrial — INMETRO, em parceria com o PROCEL, a

Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais e a ABRAVA. Tal conjunção e seus

resultados práticos viabilizaram, inclusive, a implantação do Centro Brasileiro para

Desenvolvimento da Energia Solar Térmica — GREEN Solar — na PUC Minas (PEREIRA

et. al., 2003). A Figura 2.9 apresenta vistas do interior de um coletor solar plano

convencional.

(a)

(b)

Figura 2.9– Vistas do interior de um coletor solar plano: (a) espaçamento entre a placa e a base da caixa absorvedora (b)- espaçamento entre placa absorvedora e cobertura (fonte: INMETRO).

Segundo Gupta e Garg (1968), o espaçamento ideal entre a cobertura transparente e a

placa absorvedora é de 5 cm.

Os principais componentes de um coletor solar plano convencional para aquecimento

de água são:

• a chapa de alumínio enegrecida que envolve a grade de cobre e auxilia no

aquecimento do coletor;

• as paredes da serpentina de cobre que absorvem e transferem a radiação solar para o

fluido no seu interior na forma de calor;

Capítulo II

24

• uma ou duas coberturas transparentes à radiação solar, que reduz as perdas por

convecção e radiação infravermelha para a atmosfera e provoca o efeito estufa no

interior do coletor;

• uma caixa retangular metálica com fundo, que é o elemento estrutural do sistema;

• um isolamento térmico (poliuretano expandido ou lã de vidro) para reduzir perdas de

calor por condução na lateral e no fundo.

A temperatura da superfície na maioria dos coletores solares planos é menor que

200ºC e a temperatura alcançada pelo fluido chega a aproximadamente a 100ºC em

temperatura ambiente de trabalho. Os coletores absorvem tanto a radiação solar direta quanto

a radiação difusa, não acompanham o movimento do sol e requerem pouca manutenção. Eles

são mecanicamente mais simples que os coletores concentradores. A maior aplicação destas

unidades é geralmente no aquecimento de água em residências, edifícios e piscinas, enquanto

podem ser usados também como condicionadores de ar, e para aquecimento industrial a baixa

temperatura.

Materiais como o vidro são semitransparentes para pequenos comprimentos de onda

e opacos para maiores comprimentos de onda. Vidros com baixo teor de ferro possuem alta

transmissividade. O teor de óxido de ferro nos vidros de bordas de cor branca é baixo, 0,01%,

o que os permite transmitir cerca de 92% da radiação solar. Os vidros de bordas esverdeadas

possuem alto teor de óxido de ferro na sua composição, o que os torna de qualidade inferior

para as aplicações solares (PETER, 1980).

Os coletores com placa absorvedora em cobre, que possui alta condutividade

térmica, permitem obter temperaturas elevadas (de ordem de 80ºC), quando bem projetados, e

têm uma vida útil estimada em vinte anos, mas apresentam um custo de aquisição elevado

(BEZERRA, 1998). Assim, os materiais de um coletor solar podem variar, sendo muitas vezes

utilizadas alternativas como o galvalume e os termoplásticos, reduzindo os custos dessas

peças.

Ríspoli (2008) revisou o tema da irradiação solar, paralelamente ensaiou protótipos e

materiais e estudou a redução do custo fabril de um aquecedor solar de linha industrializada,

que apresente adequado desempenho na estação fria do ano. Ainda foi possível propor uma

linha sustentável de financiamento para a classe média brasileira sem prejuízo do banco

credor.

Capítulo II

25

2.7 O sistema ASBC

Visando à democratização da tecnologia de aquecimento de água pela via solar,

surgiram pesquisas em novas tecnologias e alternativas para a substituição dos materiais

comuns aos aquecedores convencionais por materiais econômicos, tornando o sistema de

aquecimento acessível principalmente à população de baixa renda.

A partir de 1999 a Organização Não Governamental (ONG) Sociedade do Sol, que

tem como objetivo a disseminação da tecnologia termossolar para todo o território brasileiro e

está incubada no Centro Incubador de Empresas Tecnológicas da USP (CIETEC),

desenvolveu um modelo de coletor solar que integra um sistema de aquecimento solar

chamado ASBC – Aquecedor Solar de Baixo Custo. O ASBC é montado em processo de

autoconstrução, com base em manuais de montagem disponibilizados gratuitamente no site da

ONG, que também desenvolveu um coletor feito de garrafas do tipo PET e embalagens de

leite.

Cristofari et al (2002) analisaram o desempenho térmico de um coletor de placa

plana feito de copolímero. Foi analisada a influência de diferentes parâmetros tais como

espessura do isolamento, fluxo mássico e espessura da camada de fluido.

Souza (2002) mostrou que a degradação térmica do PVC se acentua com níveis de

temperatura acima de 60º na sua superfície. Em 2003, Souza construiu e estudou reservatório

térmico alternativo, à base de um compósito, com as características de bom desempenho

térmico, baixo custo, boa estética e peso reduzido. O compósito foi obtido através de

laminação manual utilizando resina de poliéster. O valor da perda térmica esteve próximo ao

encontrado na literatura. No ano seguinte construiu outro reservatório alternativo constituído

de material compósito envolvendo um tambor de polietileno.

Jurado (2004) apresentou um modelo dinâmico para um coletor solar com

termossifão. O modelo que consiste de um balanço de energia na placa coletora e no

reservatório térmico, feitos de material reciclados, constituídos por duas placas absorvedoras

de PVC e um reservatório vertical de polipropileno. Com os resultados, encontrou a melhor

relação entre a área coletora e a capacidade do reservatório térmico para qualquer localidade

do Brasil.

Costa (2007) mostrou a viabilidade térmica e econômica de um sistema alternativo

constituído por um coletor feito de material compósito à base de gesso e isopor e um

reservatório térmico a partir de um tambor de polietileno recoberto por um cilindro em fibra

de vidro.

Capítulo II

26

O sistema ASBC tem o mesmo princípio de funcionamento do sistema convencional

de aquecimento solar de água, podendo funcionar em regime de termossifão ou bombeado,

este último sendo utilizado quando há um grande volume a ser aquecido ou quando o

reservatório se encontra abaixo do nível dos coletores. A placa coletora é mais simples, sem

cobertura de vidro e caixa retangular. A ausência de cobertura transparente no coletor, apesar

de diminuir a atuação do coletor em dias de muito vento, ela é necessária para não degradar o

material devido às altas temperaturas proporcionadas pelo efeito estufa.

A placa coletora é composta por um perfil de forro alveolar de PVC modular com

tubos de PVC acoplados às suas extremidades e isolamento no fundo desta placa. A placa é

pintada com tinta preta fosca para aumentar a absorção da energia solar.

Com relação ao reservatório do sistema alternativo, pode-se utilizar a própria caixa

d’água da residência, tambores de plástico rígido ou em fibra de vidro com baixa

condutividade térmica, ou caixa de EPS (isopor), sempre isolados termicamente nas laterais e

na tampa superior com materiais simples e baratos como isopor, lã de vidro, poliuretano, e até

mesmo madeira ou jornal.

A estratificação é de importância para a simplificação do projeto do ASBC. A água

quente é mais leve do que a água fria, fenômeno que permite a estratificação da água.

Esta separação de água quente e fria se mantém enquanto não houver movimentação

(turbulência) da água na caixa. Ao longo do tempo, mesmo sem turbulência, por conta da

difusão, o calor da parte superior da caixa vai sendo lentamente transferido para a parte

inferior, terminando com uma completa homogeneização da temperatura da massa de água.

A Figura 2.10 mostra o princípio de funcionamento do ASBC e de seus componentes

que são:

1 - Caixa de água;

1.1 - Camada de água quente;

1.2 - Camada de transição;

1.3 - Camada de água fria;

1.4 - Isolamento térmico da caixa de água;

1.5 - Sistema de dutos;

2 - Coletores solares alternativos;

3 - Misturador de água quente;

4 - Dutos de água do sistema ASBC - A, B, C, G e H.

Capítulo II

27

Figura 2.10 – Esquema do ASBC de 200 L com seus componentes (www.sociedade do sol.org.br).

A presença do duto no reservatório de água quente é importante, pois distribui o

fluxo proveniente da torneira de bóia, evitando turbulências que desfaça a sua estratificação.

Com relação a sistemas de médio porte, o ASBC de 1000 L é praticamente o limite

para a circulação natural da água usando-se cerca de 10 coletores, que são divididos em dois

conjuntos independentes de 5 coletores cada. Para sistemas com mais de 1000 L, mais

coletores são necessários, requerendo-se o uso de moto-bombas e controles eletrônicos, que

acarretam maiores custos de operação e de manutenção.

No sistema de aquecimento solar com dois coletores e com reservatório de 200 L,

sugere-se uma distância vertical entre um ponto da linha central dos coletores e o ponto de

retorno da caixa de 60 cm. Já para sistemas de aquecimento dotados de 10 coletores, a

distância vertical equivalente deve ser de 140 cm. No caso da existência de um grande

telhado, a distância vertical de 140 cm é medida a partir do ponto médio entre duas fileiras

(baterias) de coletores solares. No caso da existência de um telhado menor, a distância vertical

de 140 cm é medida a partir da linha central de um dos coletores de um dos dois conjuntos de

coletores. No caso da existência de uma laje, o afastamento entre as fileiras de uma bateria de

coletores e outra deve ser de no mínimo de 60 cm, de modo a evitar que, no inverno, a fileira

dianteira crie sombra sobre a fileira de traz, conforme indicado na Figura 2.11.

Capítulo II

28

Figura 2.11 – Vista esquemática do ASBC de 1000L (www.sociedadedosol.org.br).

2.8 Simulação do comportamento térmico de um sistema de aquecimento de água

2.8.1 Balanço de energia no reservatório

A capacidade de armazenamento de energia de um tanque com uma temperatura

uniforme operando sob uma diferença de temperatura finita é dado por

( )mc Tp sQs = ∆ (2.29)

na qual, Qs é a capacidade de calor total para um ciclo de operação através da faixa de

temperatura Ts∆ , com m quilogramas de água na unidade.

Muitos tanques apresentam algum grau de estratificação, com o topo do tanque mais

quente que o fundo e é sugerido que três seções possam apresentar uma razoável aproximação

entre o projeto conservativo (tanque com única seção) e a situação limite com alto grau de

estratificação. Realiza-se o balanço de energia para cada seção do tanque. O resultado é um

conjunto de três equações que podem ser resolvidas para as temperaturas das 3 seções como

função do tempo.

Capítulo II

29

É assumido que a massa de água que entra no reservatório vai de encontro à camada

de água que apresenta uma densidade aproximadamente igual. Alternativamente, essa

quantidade de água ao entrar no tanque distribui-se no caminho pelas outras seções do tanque.

Um tanque uniformizado termicamente só apresentará algum grau de estratificação

no sistema de circulação forçada, se as velocidades de entrada e saída de água não forem tão

altas, mas há uma tendência a perder a estratificação com o tempo devido ao processo de

difusão e de condução através da parede. A máxima estratificação térmica de um sistema de

água quente forneceria a mais baixa temperatura possível próxima ao fundo do tanque e isto

maximizaria a saída do coletor.

Para as três seções do tanque dividido em camadas de mesma altura, cada qual com

uma temperatura uniforme, como apresentada na Figura 2.12, o fluxo de água para o coletor

sempre sai do fundo, seção 3 com temperatura 3T , e o fluxo para o consumo sempre sai do

topo, seção 1 com temperatura 1T . O fluxo que sai do coletor, à temperatura sT , retornará

para a seção que está mais próxima da temperatura de saída do coletor.

Figura 2.12 – Seções do reservatório estratificado.

As perdas de calor no reservatório foram estimadas pelo coeficiente global de perdas

de calor rU , que é calculado pela Equação (2.30). Pode-se considerar que esta perda de calor

é distribuída igualmente entre as camadas do reservatório, sendo que esta aproximação não

prejudica o resultado global do comportamento térmico.

( )

Q perdidoUr

A T Tr rm a=

− (2.30)

Capítulo II

30

na qual, 2 2 ( )T LA A A r h rr π= + = + (2.31)

em que r é o raio do cilindro e h sua altura; Trm é a temperatura media do reservatório,

1 2 33

T T T+ +, Ta é a temperatura ambiente e Q perdido é o calor total perdido devido à

transferência de calor para o meio ambiente através do topo e da lateral do reservatório.

A mistura do volume de água quente ( )Vq à temperatura 1T com o volume de água

fria ( )V f à temperatura T f , determina o volume de água para consumo ( )Vc em cada hora a

uma temperatura de consumo Tq pré-estabelecida. Portanto é conhecido T f e 1T ( 1T = Tq ) a

serem misturadas para se obter Tc .

Relacionando os volumes considerados com as correspondentes temperaturas obtém-

se a seguinte igualdade:

1T V V T V Tc c f f q= + (2.32)

Como V V Vcf q= − , pode-se verificar que,

( )V T Tc c fV

T Tfq

q

−=

− (2.33)

A mesma quantidade de água ( )Vq é injetada na entrada com a temperatura T f . No

reservatório as temperaturas são determinadas basicamente pelas circulações de água dos

coletores e do consumo.

Considere que a camada superior transfere uma quantidade qV para o consumo,

alterando sua energia conforme:

2 1( )V cp T Tq − (2.34)

A água do coletor que entra no reservatório induz a uma variação de calor e massa.

Sendo Vs a vazão mássica do coletor solar considerada constante durante uma hora, o calor

útil Qu é representado pela expressão

Capítulo II

31

( )Q V c T Tu s p s e= − (2.35)

na qual, Te e Ts são as temperaturas na entrada e na saída do coletor solar

respectivamente ºC� �� , Vs é a vazão mássica do coletor solar /kg s� �� e cp é o calor

específico do fluido de trabalho /kJ kg�� ºC�� .

Sendo Te = 3T , pela Equação (2.35) Ts será então:

3Qu

T TsV cs p

= + (2.36)

Considerando que a massa de água que sai do coletor entra na camada superior do

reservatório com uma quantidade de calor 1( )V T Ts s − , pelo balanço de energia da camada

tem-se:

( )2 11 1

( ) ( ) / 3V cp T T V cp T T Qq s s e perdidoT T

mcp

− + −+ = +−

(2.37)

na qual, 1T+ é a temperatura temporária da camada superior reservatório e m é a massa de

água para a camada kg� �� . A camada superior perde calor pela tampa e paredes laterais e para

a camada intermediária, em compensação ganha grande quantidade de calor do coletor solar.

A camada intermediária (camada 2) perde calor pelas laterais e para a camada

inferior.

( )2 2

3 2 1 2. ( ) / 3( )V cp T T cp Qq perdidoT T

mcp

sV T T− ++ = +− −

(2.38)

Já a camada inferior perde calor pelas laterais e pelo fundo do tanque.

Capítulo II

32

( )3 2 33 3

( ) / 3( )V cp T T V cp T T Qq f perdidoT T

mcp

s− ++ = +− −

(2.39)

2.8.2 Balanço de energia na placa coletora

O primeiro estudo do desempenho de um coletor solar plano, foi realizado por Hottel

e Woertz (1942); foi baseado no balanço de energia de coletores em um experimental

aquecedor solar, onde o cálculo de desempenho foi baseado na temperatura média do prato, e

juntamente com Klein (1975) desenvolveram uma correlação para as perdas térmicas do

coletor solar.

Para a modelagem da placa coletora, as seguintes hipóteses simplificadoras foram

feitas:

• A placa absorvedora e o isolamento na base do absorvedor estão à mesma

temperatura, denominada Tp;

• A placa não tem gradientes de temperatura na direção do fluxo, nem no sentido

transversal do fluxo (temperatura uniforme), então a temperatura da parede é função

apenas do tempo;

• A temperatura do fluido na placa muda apenas ao longo do comprimento do coletor;

• As perdas de calor nas laterais da placa são desprezadas.

Na Figura 2.13 tem-se um esquema da placa coletora. No esquema, o comprimento

da placa é representado por Y e a largura por X.

A energia transferida para a placa aquecerá o fluido causando um gradiente de

temperatura na direção do fluxo, como mostra a Figura 2.14 (a). Em alguma posição em X, a

distribuição de temperatura na direção y é representada como na Figura 2.14 (b).

Capítulo II

33

Figura 2.13 – Esquema da placa coletora

Figura 2.14 – Distribuição da temperatura do fluido na placa. (a) Em alguma posição em X (b) na direção y.

A variação de temperatura na placa coletora está associada com o transporte de

energia radiante, convectiva e condutiva, sendo que as duas últimas representam perdas para o

ambiente. Dessa forma:

( ) ( ) ( )LdTplaca

mcp A S A U T T A h T Ta p trans placa fluidoffluido dt× × ×= + − + − (2.40)

Pela Equação (2.40) pode-se notar que a troca de calor condutiva entre a placa e o

fluido foi desconsiderada, uma vez que a espessura da placa é pequena.

As áreas da placa coletora e a área transversal do tubo são assim calculadas:

A X Yc ×= (2.41)

Capítulo II

34

A P Y ntrans c× ×= (2.42)

sendo, P o perímetro molhado e cn o número de canais da placa.

Para avaliar o desempenho do coletor, é necessário conhecer o coeficiente global de

perda de calor, LU que é a soma dos coeficientes do topo e fundo.

U U UL t b= + (2.43)

A perda de energia térmica através do topo do coletor, por unidade de área, é

resultado das perdas por convecção e radiação e é considerado que a cobertura do coletor

solar é opaca para radiação de onda longa e absorve parte da radiação solar. A perda é igual à

transferência de calor da placa absorvedora para a cobertura e dela para o ambiente. O

coeficiente de transferência de calor pelo topo do coletor com uma única cobertura é:

11 1

, ,Ut

h h h hp c r p c w r c a+ +

−� �

= +� − − − �

(2.44)

na qual, p ch − é o coeficiente de transferência de calor por convecção entre a placa

absorvedora e a cobertura, ,hr p c− é o coeficiente de radiação da placa para a cobertura, hw é

o coeficiente de transferência de calor por convecção devido ao vento e ,hr c a− é o

coeficiente de radiação da cobertura para o ar, todos em 2/W m ºC .

Já para coletores solares sem cobertura, há uma simplificação no cálculo do

coeficiente de transferência de calor pelo topo do coletor, Ut , que depende apenas do

coeficiente convectivo devido à velocidade do vento hw , já que considerando que se trabalha

a baixas temperaturas, a perda por radiação ,hr c a− é desprezada, assim a Equação (2.44)

simplificada torna-se:

11

Uthw

−� �

= � �

(2.45)

Capítulo II

35

CRISTOFARI et al. (2002) propuseram uma expressão para cálculo de wh :

7 2,1wh V= + (2.46)

na qual V é a velocidade do vento.

Com relação à energia perdida pelo fundo do coletor por condução é considerado que

toda a resistência ao fluxo de calor é devido ao isolamento e ao material da placa. Pela

Equação (2.47) o coeficiente de troca de calor pelo fundo do coletor, Ub , depende das

espessuras do isolamento e da parede da placa e dos respectivos coeficientes de transferência

de calor por condução dos materiais.

kk pisoUb

L Liso p= + (2.47)

na qual, kiso e k p são os coeficientes de transferência de calor por condução do isolamento e

da placa, /W m�� ºC�� , respectivamente, Liso e Lp são as espessuras do isolamento e da placa

[ ]mm , respectivamente.

Para coletores maiores e bem projetados as perdas de calor pela lateral podem não

ser significativas. O valor de LU para um coletor convencional bem projetado se situa entre

0,5 e 0,75 2/W m��

ºC�� (BEZERRA, 1998).

O balanço de energia para o fluido considera a troca de calor convectiva que ocorre

na superfície interna da placa:

( ) ( )dT fluido

mcp h P T Tf placa fluidofluido dy×= − (2.48)

O perímetro molhado da superfície é dado por:

( )2P n d hc c c= × + (2.49)

Capítulo II

36

Para o coletor alternativo de PVC e de Polipropileno (PP) sem cobertura o

coeficiente médio de transferência de calor por convecção do fluido é calculado usando as

correlações de Azevedo e Sparrow (INCROPERA, 1998) para convecção natural de água em

canais inclinados formados por placas paralelas:

Nuh Kf fluido

Lc= (2.50)

1/ 4

0,645S

Nu RaLc

� �� = � �

�� (2.51)

( )3S

R g T Ta placa fluido×= β −αν

(2.52)

A difusividade térmica da água é calculada através da equação:

k fluido

cp fluidoα =

ρ (2.53)

Para o coletor convencional, no caso de regime laminar, Heaton e al. (1964)

apresentam o número de Nusselt local para o caso de fluxo de calor constante. Seus dados são

bem representados pela equação:

(Re Pr / )

1 (Re Pr / )

ma D Lh

Nu Nun

b D Lh

= +∞+

(2.54)

na qual, as constantes a, b , m e n são dadas na Tabela 2.3.

Capítulo II

37

Tabela 2.3- Constantes para a Equação (2.54) para Tubos Circulares com Fluxo de Calor Constante. Número de Nusselt Local

Número de Prandtl a b m n

0,7 0, 00398 0, 0114 1,66 1,12

10 0, 00236 0, 00857 1,66 1,13

∞ 0, 00172 0, 00281 1,66 1,29

Nu∞ = 4,4

2.9 Desempenho térmico do coletor

As propriedades das coberturas e superfícies absorvedoras determinam a

transmissividade-absortividade ( )τα e a emissividade ( pε ) da placa. A degradação destas

propriedades pode seriamente afetar o desempenho térmico do coletor solar, e os materiais

que são selecionados devem ter estas propriedades estáveis.

2.9.1 Determinação do Calor Útil e do Fator de Remoção de Calor ( RF )

Uma maneira para estimar o desempenho do coletor solar é calcular a eficiência do

mesmo, que é definida como a razão do ganho útil sob um específico período de tempo pela

energia solar incidente sob o mesmo período de tempo.

Q du

A G dc T

τη =

τ

��

(2.55)

na qual, Ac é a área do coletor solar ²m� �� , GT é a radiação solar incidente no

coletor / ²W m� �� e uQ é o calor útil transferido ao fluido de trabalho /kJ s� ��

Além da temperatura de entrada do coletor, o tipo de superfície absorvedora, o

número de coberturas transparentes, a intensidade da radiação, o isolamento térmico

empregado, também exercem influência na eficiência do coletor solar.

O método básico para determinar o desempenho térmico do coletor é expor o coletor

em operação à radiação solar e medir as temperaturas do fluido e sua vazão, como

representado na Equação (2.56).

Capítulo II

38

( )Q c T Tu Vs p s e= − (2.56)

na qual, Te e Ts são as temperaturas na entrada e na saída do coletor solar

respectivamente[ ]º C , Vs é a vazão mássica do coletor solar /kg s� �� e pc é o calor específico

do fluido de trabalho /kJ kg�� ºC�� .

Outro método permite a caracterização do coletor pelos parâmetros que indicam

como o coletor absorve energia solar e como ele perde energia térmica para o meio externo é

representado pelas Equações (2.57) ou (2.58):

( ),Q A S U T Tu c L p m a� �= − −� � (2.57)

( )Q A F S U T Tu c R L e a� �= − −� � (2.58)

na qual, Ac é a área do coletor solar ²m� �� , S é a radiação solar que é absorvida por um

coletor / ²W m� �� , UL é o coeficiente global de transferência de calor 2/W m��

ºC�� , ,Tp m , Te

e Ta são respectivamente a temperatura média da placa, de entrada da água na placa e do

ambiente [ ]º C e FR é o Fator de remoção de calor do coletor [ adimensional].

Comparando as Equações (2.57) e (2.58) observa-se a presença do Fator de Remoção

de Calor, RF . Duffie e Beckman (1980) explicaram que o máximo possível ganho de energia

útil (transferência de calor) em um coletor solar ocorre quando todo o coletor solar se

encontra na mesma temperatura de entrada do fluido; as perdas de calor para a vizinhança são

então a mínima possível. Assim, RF é a quantidade que relata o ganho de energia útil real de

um coletor pelo ganho útil se toda a superfície do coletor estivesse na temperatura do fluido:

( )

( )

T Te a

V c T Ts p s eFR

A S Uc L=

−

−

−� �� (2.59)

Em relação à placa absorvedora, o pioneirismo nas pesquisas de Hottel e Willier

(1958), sobre desempenho térmico de coletores com tubos paralelos, levando em conta a

Capítulo II

39

distribuição da temperatura no prato absorvedor serviu de base para muitos estudos

posteriores.

A temperatura média da placa absorvedora sempre será maior que a temperatura

média do fluido devido à resistência a transferência de calor entre a superfície absorvedora e o

fluido. Esta diferença de temperatura é geralmente pequena para sistemas líquidos mais pode

ser significante para sistemas com ar.

Resolvendo as Equações (2.57) e (2.58) pode-se encontrar a temperatura média da

placa absorvedora:

( )/

1,Q Au c

T T Fp m e RU FL R

= + − (2.60)

A temperatura máxima da placa pode ser estimada avaliando a temperatura do fluido

na Equação (2.60) com Qu igual a zero.

A energia solar que é realmente absorvida por um coletor, )(TS G= τα , na qual τα é

o produto transmissividade-absortividade da radiação incidente, é um termo muito usado para

a predição do desempenho do coletor, sendo resultado da diferença entre a radiação solar

incidente e a as perdas óticas e que posteriormente esta energia é distribuída pelas perdas

térmicas através do topo e do fundo do coletor e para o ganho de energia útil, conforme ilustra

a Figura 2.15.

Figura 2.15- Rede térmica equivalente para um coletor solar plano.

No caso mais geral (pintura de preto fosco e uma cobertura transparente) o produto

transmissividade-absortividade ( τα ) é considerado constante e aproximadamente igual a 0,8

(BEZERRA, 1998).

Capítulo II

40

2.9.2 Determinação do rendimento térmico em regime quase permanente (η)

No Brasil a normalização de ensaios para testar a eficiência do coletor solar é feita

pela ABNT através da norma NBR 10184 de 1988.

Um protótipo foi desenvolvido pelo professor Júlio Roberto Bartoli, da Faculdade de

Engenharia Química da Unicamp. Em um ensaio experimental feito conforme NBR 10184

(1988) da ABNT encontraram 64% de rendimento para o coletor solar de baixo custo (CSBC)

pintado com esmalte sintético da marca Coralit e 72% com aplicação de elastômero de

etileno-propileno-dieno (EPDM). O aquecedor solar desenvolvido por Bartoli é feito com

forro alveolar de PVC e reservatório de água convencional. Este trabalho é continuado por

Pereira et al (2006) conseguindo um desempenho de 67% para o CSBC.

O Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial

(INMETRO, 2008) testou o coletor solar de baixo custo (CSBC) que apresentou eficiência

energética de 39,1% sob fabricação do modelo “Belosol” da marca Botega, mais se deve levar

em conta que o tubo de PVC usado neste teste era de 20 mm de diâmetro e não de 32 mm

como o coletor ensaiado por Bártoli et al.

O fator de remoção de calor RF é uma função que depende fracamente da

temperatura, já o coeficiente global de perda de calor LU é uma função da temperatura e da

velocidade do vento, porém, para muitas aplicações é possível selecionar um único valor de

LU para caracterizar as perdas térmicas, e o produto transmissividade-absortividade ( )τα é

insensitivo à temperatura apesar de ser uma função do ângulo de incidência.

Uma vez que coletores trabalham melhor quando a radiação incidente esta próxima

da normal, um único valor de ( )τα na incidência normal caracterizará as propriedades óticas

da maioria dos coletores, Como resultado, dois números, ( )FR τα e F UR L são largamente

usados para caracterizar um coletor solar. Assim, a Equação (2.58) pode se escrita em termos

de uma eficiência instantânea como:

( )( )T TQ e au

F F UR R LA G Gc T T

−η = = τα − (2.61)

Coletores solares de baixo custo e sem cobertura feitos em polipropileno foram

propostos e testados por Mveh (1999) e apresentaram desempenho satisfatório com valores de

Capítulo II

41

16 / ²W m K para F UR L e 0,6 para ( )FR τα , constatando também a grande influência do

vento sobre os coletores sem cobertura, que podem aumentar o valor de F UR L para até 23

/ ²W m K com ventos fracos de 2,5 /m s .

Krenzinger (2001) testou coletores feitos a partir de polietileno de alta densidade e

obteve valores muito semelhantes aos coletores de polipropileno.

Costa (2002) fez testes para coletores de cobre e para coletor de PVC sem cobertura

e os parâmetros típicos encontrados para o coletor convencional são 7,7 / ²W m K para F UR L

e 0,74 para ( )FR τα . No seu trabalho constatou a grande influência do vento sobre o coletor

solar sem cobertura, que podem alcançar o valor de F UR L 19,3 / ²W m K com ventos fracos

de até 1m/s e valor de F UR L 19,5 / ²W m K para ventos de 1 a 2,4 /m s .

Segundo Costa (2007), o intervalo médio previsto do parâmetro F UR L para os

coletores planos convencionais está entre 6 e 12 / ²W m º C .

2.10 Tipos de Instalação e orientação dos coletores solares

O desempenho do coletor dependerá não somente do projeto, mais também da

instalação.

Nas aplicações residenciais dificilmente se pensaria numa montagem série-paralelo

já que o número de coletores é muito inferior ao exigido para aquele tipo de montagem.

Os coletores operando no hemisfério Sul (caso do Brasil) serão orientados para o

norte verdadeiro e inclinados de um ângulo igual ao da latitude do lugar. No caso de

instalações com circulação natural (termossifão), o coletor deverá ser inclinado de mais 10º

além do ângulo da latitude. Este aumento no ângulo de inclinação do coletor além de facilitar

o início do processo de termossifão tem ainda como finalidade compensar a variação anual da

declinação solar de modo que a radiação incidente durante todo o ano seja a mais

perpendicular possível.

2.10.1 Circulação natural em circuito aberto

O termossifão é baseado na diferença de densidade da água a temperaturas

diferentes. A diferença de densidade é uma função da diferença de temperatura, e a vazão é

uma função do ganho útil de energia do coletor que produz a diferença de temperatura. Estes

Capítulo II

42

sistemas são altos ajustáveis, o aumento no ganho leva ao aumento da vazão através do

coletor. Close (1962) observou que sob uma larga faixa de condições de operação, o aumento

na temperatura da água fluindo através do coletor em sistemas de circulação natural é

aproximadamente de 10ºC. Gupta e Garg (1968) também apresentaram temperatura da água

na entrada e na saída para dois coletores que sugeriram aumento de temperatura quase

constante através do coletor.

No sistema termossifão a vazão é proporcional à radiação solar e a circulação da

água só será interrompida quando a intensidade de radiação for insuficiente para manter a

temperatura de água a níveis diferentes ou quando for alcançado o equilíbrio térmico entre o

coletor e o tanque de estocagem de água quente.

Entre o nível do reservatório e a saída de água quente do coletor, devera existir um

desnível de pelo menos 60 centímetros (até no máximo 5 metros) para que o termo-sifão

funcione corretamente, conforme mostra a Figura 2.16.

O circuito é dito aberto quando a água utilizada no consumo circula no interior da

grade de tubos do coletor.

Figura 2.16- Circulação natural-circuito aberto (BEZERRA, 1998).

Já a instalação em circulação forçada em circuito aberto difere apenas pela

introdução de uma bomba no circuito do coletor para circulação de água no mesmo. Permite

Capítulo II

43

variar a posição do tanque de estocagem de água quente podendo este ser instalado abaixo do

coletor.

2.10.2 Circulação natural em circuito fechado.

A diferença fundamental entre este tipo de instalação e a anteriormente descrita é a

introdução de um trocador de calor no circuito do coletor, localizado no interior do

reservatório de água quente.

Neste caso os coletores de alumínio podem ser empregados já que o fluido de

trabalho poderá ser um óleo fino ou mesmo água destilada. A água quente para consumo troca

calor com o trocador instalado no interior do reservatório de água quente sem que tenha que

passar pela tubulação da grade do coletor.

Já a instalação circulação forçada em circuito fechado é semelhante a este descrito

adicionando-se ao sistema uma bomba, para circulação da água no sistema de aquecimento.

Capítulo III

CAPÍTULO III

MATERIAIS E MÉTODOS

Para o desenvolvimento deste trabalho, foram realizados pesquisas teóricas

fundamentadas e estudos de dados quantitativos.

Neste projeto foram estudados o material do coletor solar e o tipo de escoamento, se

natural ou forçado (passivo ou ativo). Os sistemas operaram de forma batelada e tentou-se

prever o comportamento do sistema na forma contínua por meio da aplicação das técnicas de

fluidodinâmica computacional e por balanços de energia.

3.1 Unidade experimental

Uma vez construídos, os aquecedores foram devidamente instalados na Faculdade de

Engenharia Química da UFU. Cada aquecedor foi instalado numa inclinação de 28º em

relação à horizontal, sendo 18º relativo à latitude de Uberlândia e os outros 10º para

compensar as variações do eixo da Terra ao longo do ano em relação ao Equador. Durante a

instalação, as placas coletoras foram direcionadas para o norte geográfico a fim de garantir a

maior incidência de luz durante o dia. A Figura 3.1 apresenta uma fotografia da unidade

experimental que é constituída pelos seguintes itens:

1 – Coletor solar de forro de PVC:

a – Entrada de água no coletor de PVC;

b – Saída de água no coletor de PVC;

2 – Coletor solar de cobre:

c– Entrada de água no coletor de cobre;

d – Saída de água no coletor de cobre;

3 – Coletor solar de PP:

e– Entrada de água no coletor de PP;

f – Saída de água no coletor de PP;

4 – Reservatório de água fria (caixa d’água);

5 – Reservatório de água quente do coletor de PVC;

6 – Reservatório de água quente do coletor de cobre (Reservatório convencional);

Capítulo III

45

7 – Reservatório de água quente do coletor de PP.

Figura 3.1 - Unidade de testes localizada no bloco da FEQUI- UFU.

3.2 Materiais e Equipamentos

3.2.1 Tintas

Os materiais usados na construção dos coletores não devem conter componentes

voláteis que possam ser evaporados durante o período de altas temperaturas de operação do

coletor, estes componentes voláteis podem condensar sob a placa coletora e reduzindo sua

absortividade. Com relação à tinta, o esmalte sintético preto fosco foi usado para pintar os

tubos de plástico PVC e a superfície absorvedora.

3.2.2 Coletores Solares

Os coletores solares sem cobertura testados são de forro de PVC e outro de

polipropileno (PP). A Figura 3.2 apresenta uma vista esquemática destes coletores

alternativos.

5

1 2

4

3

7

b

a

d f

c e

6

Capítulo III

46

Figura 3.2 – Vista esquemática de um coletor solar sem cobertura.

O coletor de polipropileno foi adquirido pronto, com os tubos já colados à placa. A

construção do coletor de PVC foi feita manualmente e seguiu os seguintes passos:

• Cortou-se a placa modular de PVC nas dimensões 1,60 X 0,62 m ;

• Encaixaram-se tubos de PVC na extremidade superior e inferior da placa;

• Removeram-se as pontas e rebarbas do material com lixa;

• Lixaram-se e limparam-se com álcool a placa e os tubos para melhorar a fixação da

tinta e da cola;

• Fazer a união da placa de PVC e dos tubos utilizando uma cola específica;

• Após a secagem do conjunto, iniciou-se a pintura do mesmo com tinta preta fosca;

• Realizou-se o teste de vedação;

• Isolou-se a parte inferior da placa com lâminas de isopor.

As características físicas de cada um são apresentadas na Tabela 3.1.

Tabela 3.1 – Características dos coletores solares sem cobertura.

Forro de PVC PP

Volume de água 10L 4L Isolamento térmico Isopor Isopor

isoL 0, 010 m 0, 010 m

isok 0,038 º/ CW m 0,038 º/ CW m

cA 1m2 1m2 Comprimento (Y) 1,62 m 1,58 m

Largura (X) 0,62 m 0, 638 m

pk 0,16 º/ CW m 0,22 º/ CW m

cd 0,009 m 0,005 m hc 0, 017 m 0, 005 m

Capítulo III

47

O coletor convencional de cobre utilizado para efeito de comparação com os coletores

sem cobertura está esquematizado na Figura 3.3 e suas características são:

• Coletor Solar modelo vertical Copacabana com pintura em preto fosco

• Isolamento térmico: papel Kraft

• Área: 1m2

• Comprimento (Y): 1 m

• Largura(X): 1m

• Classificação INMETRO: B (Eficiência=53,5%)

• Espessura do vidro: 4 mm

• 7 Tubos de cobre – Diâmetro= 22mm ( k = 398 / .W m K )

• Peso vazio= 12,4 kg

• Peso cheio= 16,7 kg

• Volume de água: 4,3 L

Figura 3.3 – Vista esquemática do coletor solar fechado.

3.2.3 Reservatórios

O reservatório do ASBC apresenta as seguintes características:

• Material: polietileno

• Isolamento térmico: isopor ( isok = 0, 038 º/ CW m )

• Espessura do isolamento: 30 mm

• Volume: 90 L

Capítulo III

48

• Diâmetro externo: 0,45 m

• Diâmetro interno: 0,43 m

• Altura: 0,70 m

• Altura da coluna d’água: 0,57m (volume de água: 90 L)

O material que foi escolhido como isolante do reservatório no ASBC foi o isopor

(EPS) por ter baixa condutividade térmica e pelo baixo custo. Apesar destas qualidades o

isopor não é muito resistente à ação de intempéries, sendo necessário o uso de um

revestimento que cobrisse a camada de isolamento. Então se optou por cobrir o reservatório

com uma lamina de papel Kraft, que também é um bom isolante térmico. Os procedimentos

para construção do reservatório são:

• Abertura de Entradas e Saídas de água no reservatório;

• Instalação de quatro flanges (32 mm) de entrada e saída de água;

• Instalação do pescador e da torneira bóia junto com o tubo vertical;

• Instalação do isolamento de EPS e plástico bolha junto com a proteção externa;

• União da placa ao reservatório;

A Figura 3.4 mostra a parte interna do reservatório ASBC de 100L.

Figura 3.4 - Vista do interior do reservatório do ASBC.

Como se pode observar na Figura 3.4, o reservatório térmico do ASBC é composto

por uma torneira bóia responsável pelo controle de entrada de água fria, por um tubo vertical

Torneira Bóia

Tubo Vertical

Pescador

Capítulo III

49

que leva água direto para o fundo do reservatório evitando turbulências no sistema e por um

pescador responsável pela retirada de água quente para consumo. A altura da coluna d’água

no reservatório ASBC é de 57 cm, que é a altura que o pescador capta a água quente para

consumo. O volume máximo de água quente que pode ser utilizada num regime batelada é de

90 L.

O reservatório térmico convencional é esquematizado na Figura 3.5 e suas

características são:

• Material: aço inoxidável AISI 304 (acabamento em alumínio)

• Isolamento térmico: poliuretano expandido rígido

• Volume: 100 L

• Pressão de trabalho de 5 m.c.a

Figura 3.5 - Vista esquemática do reservatório térmico convencional.

Capítulo III

50

3.2.4 Bombas

Foram adquiridas duas bombas para promover a circulação forçada dos sistemas de

aquecimento solar. São bombas peristálticas com roletes em aço inox e inversor de

frequência, com vazão de até 70 L/h, como mostra a Figura 3.6.

Figura 3.6 - Bomba peristáltica.

A curva de calibração da bomba se encontra no Apêndice I.

3.2.5 Reservatório de água fria

Para o armazenamento da água fria a ser utilizada nos ensaios experimentais

utilizou-se uma caixa d’água de fibra de vidro de volume de 310 L localizada na parte

superior da unidade experimental, logo acima dos três boilers de 100L cada, sendo o fluxo de

água regulado por torneira bóia.

3.3 Instrumentação

3.3.1 Aquisição de dados

Para a obtenção de medidas precisas de temperatura dos sistemas de aquecimento

solar estudados, foi necessário utilizar um sistema de monitoramento e aquisição de dados em

tempo real, realizado através de sensores de temperatura, que foram interligados a um

computador no qual esses sinais são recebidos e interpretados. O Labview é um software

Rolete

Mangueira

Inversor de frequência

Capítulo III

51

específico para registrar, monitorar e processar dados. Ele vem acompanhado de um cabo

conector (SHC68-68-EPM) e de um módulo conector com redução de ruído de sinais (SCC-

68I/O).

O circuito de alimentação foi projetado para ser conectado à placa de aquisição de

dados NI PCI-6221, que tem sinal de entrada de -10 V a 10V, com 16 entradas analógicas e 2

saídas analógicas. Foi utilizada uma fonte estabilizada de 12 V e uma resistência de 250 � foi

colocada em série com os termopares que têm sinal de saída de 4 a 20 mA, com isso foi

adquirida uma faixa de tensão de 1 a 5 V na placa de aquisição, conforme ilustrado na Figura

3.7.

Figura 3.7 - Circuito eletrônico.

3.3.2 Medição de temperatura

A medição da temperatura ambiente foi realizada dentro do campus Santa Mônica e

os dados de temperatura foram divulgados de hora em hora pelo Instituto Nacional de

Meteorologia (INMET) através do sítio www.inmet.gov.br.

As temperaturas de entrada e saída dos coletores solares eram medidas

continuamente através de termopares do tipo T, com isolamento mineral e de dois fios, que

Capítulo III

52

são inseridos no circuito hidráulico em uma conecção T com tampa rosqueada, onde foi feito

um furo e a vedação do orifício foi garantida pelas próprias roscas de isolamento do termopar.

O transmissor de sinal já vinha acoplado no termopar através de um cabeçote, como mostra a

Figura 3.8. No reservatório, os termopares foram inseridos em flanges adaptados em três

pontos igualmente espaçados, topo, meio e fundo do reservatório, conforme mostra a Figura.

3.9.

No Apêndice II encontram-se as curvas de calibração dos 15 termopares utilizados.

A homogeneização da temperatura da água quando em contato com o sensor era feita

através do próprio circuito hidráulico, pois no topo do coletor solar (saída) ocorre a

movimentação do fluido devido à convergência dos fluxos de cada duto da placa de PVC.

Figura 3.8 – Termopar de isolação mineral.

Os termopares utilizados neste trabalho apresentam as seguintes especificações:

� 4 unidades MS13- diâmetro de 6 mm e comprimento de 165 mm e com rosca

1/4¨NPT: MS13/T-S-00/316-60-S-165/KNE-21/14/25M BT-1,0-F-330/TIC- (0-100);

� 8 unidades MS13- diâmetro de 3 mm e comprimento de 100 mm e com rosca

1/8¨NPT: MS13/T-S-00/316-30-S-100/KNE-21/10/25M BT-1,0-F-330/TIC (0-100);

� 3 unidades MS13- diâmetro de 3 mm e comprimento de 120 mm e sem rosca:

MS13/T-S-00/316-30-S-120/KNE-21/00/25M BT-1,0-F-330 /TIC (0-100);

Capítulo III

53

Figura 3.9- Diagrama esquemático do sistema de medição de temperatura.

Feita a numeração e calibração dos 15 termopares, os mesmos foram instalados nos

seus respectivos lugares. Assim a posição de cada um dos termopares numerados em cada

aquecedor solar é ilustrada na Figura 3.10.

Figura 3.10 - Posição dos 15 termopares.

T9

T15

T13

T5

T7

T8

T16

T3

T1

Coletor de PP

Placa

Computador para aquisição de dados

Reservatório

Te

Ts

Coletor de cobre Coletor

de PVC

Capítulo III

54

A Figura 3.11 exemplifica alguns termopares instalados nos reservatórios e nas

placas coletoras dos aquecedores solares.

Figura 3.11 – Termopares instalados no sistema. (a) termopares instalados no boiler

convencional, (b) termopares instalados no reservatório alternativo, (c) termopar instalado no coletor solar.

3.3.3 Medição de dados meteorológicos

O instrumento utilizado na medida do fluxo de radiação solar total sobre uma

superfície é o piranômetro. Este instrumento lê os dados de radiação solar total numa

superfície horizontal e está localizado dentro do campus Santa Mônica, bem como um

aparelho para medição da velocidade do vento (anemômetro). Estes equipamentos são

monitorados pelo Instituto de Geografia da UFU e seus dados divulgados pelo INMET.

(a) Termopares instalados no boiler convencional.

(b) Termopares instalados no reservatório alternativo.

(C) termopar instalado no coletor solar.

Capítulo III

55

3.4 Procedimento Experimental

Para a aquisição dos dados foi necessária a realização do ensaio em um dia de céu

limpo, sem interferência de nuvens que atrapalham a obtenção dos dados relativos à radiação

incidente.

Apesar de existir algumas variações das componentes da radiação solar direta, difusa

e refletida ao redor, os ensaios foram feitos em um intervalo de tempo em que a incidência

dos raios solares era próxima da normal ao plano do coletor ( 0θ = º), sendo o período do dia

em que o nível de energia utilizável era o máximo. Assim, a maioria dos ensaios foi realizada

das 9 às 16h de cada dia.

3.4.1 Obtenção da eficiência do reservatório térmico

No ensaio para a obtenção da eficiência dos reservatórios térmicos operando de

forma batelada ou contínua, natural ou bombeado, foi feito o registro das temperaturas pelos

termopares inseridos na posição intermediária, no fundo e no topo do reservatório como

mostrado na Figura 3.10. A partir destes dados, foi possível calcular a energia armazenada no

reservatório ao longo do dia pela Equação ( )mc Tp sQs = ∆ , a temperatura máxima alcançada

e o tempo necessário para se alcançar essa temperatura. De posse dos dados de radiação solar

fornecido pelo INMET, encontrou-se a eficiência alcançada pelos reservatórios térmicos no

dia de ensaio.

Nos ensaios com os sistemas de aquecimento solar bombeados foram escolhidos

valores de vazão igualmente espaçados dentro da faixa de operação da bomba peristáltica (20

L/h, 40 L/h e 60 L/h).

3.4.2 Obtenção da eficiência do coletor solar

Os níveis de radiação solar no início da manhã e no final da tarde não foram

suficientes para superar as perdas no coletor. Assim, os testes de eficiência dos coletores

foram feitos nestes períodos.

Foram adotados os seguintes procedimentos para o ensaio de eficiência dos coletores

solares, segundo NBR 10184:

Capítulo III

56

1. Durante a realização destes ensaios o ângulo de incidência sobre a área de abertura do

coletor solar deve manter-se inferior a 30º;

2. O fluxo de radiação solar total sobre a área de abertura deve manter-se superior a 600

/ ²W m ;

3. A velocidade do vento durante o ensaio deve manter-se inferior a 4,5 m/s;

4. A vazão do fluido deve ser ajustada para o valor de 1 L/min para cada m2 de área do

absorvedor;

5. O coletor solar deve ser ensaiado para várias condições de temperatura do fluido na

seção de entrada do coletor solar desde a temperatura ambiente até a máxima

temperatura admissível para o coletor em ensaio, ou até eficiência zero;

6. No mínimo quatro condições diferentes para a temperatura do fluido na seção de

entrada do coletor solar devem ser selecionadas sobre a faixa de operação do coletor.

Um destes valores deve ser igual ou diferir no máximo em 2ºC da temperatura

ambiente;

7. Os ensaios devem ser conduzidos antes e após o meio dia solar (ângulo horário igual a

zero) e, se possível, de maneira simétrica.

No procedimento geral dos testes de coletores solares, os coletores operam sob

condições de regime quase permanente, medindo os dados que determinam uQ e medindo

TG , que são necessários para esta análise. Os testes foram feitos próximo ao meio dia solar,

em dias claros, com situação de radiação incidente próxima à normal.

3.5 Metodologia Numérica

Com o sistema operando de forma contínua, as perturbações causadas pela entrada de

fluido frio e pela retirada de fluido quente do boiler foram analisadas aplicando as técnicas de

fluidodinâmica computacional (CFD–Computational Fluid Dynamics). Estas técnicas são

ferramentas computacionais importantes e ajudam na compreensão de particularidades do

escoamento dentro do aquecedor solar a fim de auxiliar no aprimoramento do sistema.

As simulações numéricas foram resolvidas através do pacote comercial Fluent.

Todavia, antes das simulações propriamente ditas via Fluent, foi necessária a elaboração das

malhas computacionais bidimensionais, retangulares, que representam regiões de interesse no

aquecedor de baixo custo, tal como o boiler. As malhas computacionais foram feitas com

Capítulo III

57

auxílio do software Gambit, também adquirido junto à licença do Fluent. Assim, houve um

levantamento da fluidodinâmica e distribuições de temperaturas nas regiões simuladas. No

que se refere aos esquemas de interpolação, o esquema PRESTO foi aplicado à pressão e o

algoritmo SIMPLE aplicado ao acoplamento do binômio pressão-velocidade. No que tange às

demais variáveis fluidodinâmicas (temperatura, densidade), as interpolações foram

conduzidas por esquema do tipo UPWIND de segunda ordem. Todas as informações

computacionais utilizadas nas simulações numéricas estão resumidas na Tabela 3.2.

Tabela 3.2 - Informações computacionais utilizadas nas simulações numéricas

Códigos Computacionais GAMBIT – FLUENT Malha Computacional Bidimensional e Células retangulares (315000). Condições do Escoamento no Boiler (adiabático)

Escoamento Laminar, Estado Estacionário e não isotérmico.

Fluido Água Temperatura do Fluido Frio 295 K (22°C) Temperatura do Fluido Quente 312 K (39°C) Taxa Mássica de Água Quente (Q) 16,7 g/s Taxa Mássica de Água Fria (F) Q/C = Q/F (consumo = alimentação) Acoplamento Pressão-Velocidade Algoritmo SIMPLE (“algoritmo SIMPLE aplicado ao

acoplamento do binômio pressão-velocidade.”). Esquemas de Acoplamento Esquema de 2ª Ordem do tipo Upwind (“No que tange

às demais variáveis fluidodinâmicas temperatura, densidade), as interpolações serão conduzidas por esquema do tipo UPWIND de primeira e segunda ordem”).

Critério de Convergência 1.10-4

Representação de regiões de interesse

Boiler

Capítulo IV

CAPÍTULO IV

RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1 Resultados da eficiência do sistema termossifão

O incremento de temperatura no boiler está diretamente ligado à vazão, que para um

sistema termossifão é maior quanto maior for a radiação incidente no plano do coletor solar.

Nos cálculos da eficiência térmica é considerado que o calor específico da água

( Cp = 4,174 kJ/kg °C) e a densidade da água (ρ= 1000 kg/ m3) são constantes, sendo que esta

aproximação pouco interfere o resultado final da eficiência dos reservatórios.

O volume dos dois reservatórios de baixo custo é de 90 L cada e as medidas de

temperaturas dentro do mesmos são feitas em três pontos: a 5 cm do fundo, a 29 cm do fundo

e a 49 cm do fundo.

Em relação aos dados meteorológicos, as medidas horárias foram divulgadas pelo

INMET.

A relação entre a radiação solar horária no plano inclinado e a radiação solar horária

no plano horizontal, /TR I I= , varia ao longo do ano, sendo que esta variação dependente da

declinação solar e do dia do ano. Além disso, se deve levar em conta que o modelo de

predição da radiação no plano inclinado leva em conta fatores climáticos, como a umidade do

ar, a temperatura ambiente e a claridade no dia. Assim, para o mês de novembro, dezembro,

janeiro e fevereiro, meses em que foram feitos os ensaios experimentais, foram encontrados

valores de R menores que 1.

Foram feitos quatro ensaios nos aquecedores solares operando em circulação

natural, nos dia 28/11/2008, de 02 a 04/12/2008 (dias em que foi calculado o coeficiente

global de troca térmica do reservatório), de 05 a 08/12/2008 e o último experimento foi

feito dia 09/12/2008.

Capítulo IV

59

4.1.1 Primeiro ensaio nos reservatórios

Os dados de radiação solar horária no plano horizontal em 2/kJ m são divulgados

diariamente e são utilizados neste trabalho para calcular a eficiência térmica dos aquecedores

solares. Os valores médios registrados da radiação solar incidente na cidade de Uberlândia no

dia 28/11/08 podem ser observados na Figura 4.1.

6 8 10 12 14 16 18 200

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Ra

dia

çã

o (

kJ/m

²)

Hora do dia (h)

Figura 4.1 - Radiação incidente no coletor no dia 28/11/08 (fonte: INMET).

A partir destas informações de insolação divulgada pelo INMET foram feitos

cálculos para transformar estes valores de radiação solar no plano horizontal para o plano

inclinado utilizando o modelo empírico de predição de radiação em superfície inclinada,

descrita na seção 2.5.3 do Capítulo II.

O reservatório térmico que armazena a água aquecida pelo coletor de polipropileno

(reservatório PP) levou 8h para elevar a temperatura média da água de 23,3°C a 41,5°C, como

pode ser observado na Figura 4.2. A análise do desempenho térmico do reservatório PP ao

longo do dia para todo o tanque é apresentada na Tabela AIII.1 no apêndice III.

Capítulo IV

60

0 9 :3 0 1 0 :5 0 1 2 :1 0 1 3 :3 0 1 4 :5 0 1 6 :1 0 1 7 :3 0 1 8 :5 02 0

2 2

2 4

2 6

2 8

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

s e ç ã o in fe r io r

s e ç ã o in te rm e d .

s e ç ã o s u p e r io r

Te

mp

era

tura

(ºC

)

H o ra d o d ia (h )

Figura 4.2 – Temperaturas do reservatório PP no dia 28/11/08.

O reservatório térmico que armazena a água aquecida pelo coletor de PVC

(reservatório PVC) levou 8h para elevar a temperatura média da água de 22,9°C a 41,1°C,

como pode ser observado na Figura 4.3. A análise do desempenho térmico do reservatório

PVC ao longo do dia é apresentada na Tabela AIII. 2 do apêndice III.

0 9 :3 0 1 0 :5 0 1 2 :1 0 1 3 :3 0 1 4 :5 0 1 6 :1 0 1 7 :3 0 1 8 :5 02 0

2 2

2 4

2 6

2 8

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4




Tem

pe

ratu

ra (

ºC)


Figura 4.3 – Temperaturas do reservatório PVC no dia 28/11/08.

O reservatório térmico que armazena a água aquecida pelo coletor de cobre

(reservatório Convencional) levou 8h para elevar a temperatura média da água de 25,8°C a

44,5°C, como pode ser observado na Figura 4.4. A análise do desempenho térmico do

reservatório Convencional ao longo do dia é apresentada na Tabela AIII. 3 do apêndice III.

Capítulo IV

61

0 9 :3 0 1 0 :5 0 1 2 :1 0 1 3 :3 0 1 4 :5 0 1 6 :1 0 1 7 :3 0 1 8 :5 02 02 22 42 62 83 03 23 43 63 84 04 24 44 64 85 0




Te

mp

era

tura

(ºC

)


Figura 4.4 - Temperaturas do reservatório Convencional no dia 28/11/08.

Pela análise das Figuras 4.2, 4.3 e 4.4 nota-se que em alguns momentos dentro dos

reservatórios térmicos a seção intermediária apresenta maiores temperaturas que a seção

superior, isto se deve ao fato de que a alimentação de água quente (retorno) é realizada na

seção intermediária do boiler. Dentro do reservatório, a massa de água vai de encontro à

camada de água que apresenta uma densidade aproximadamente igual, sendo que a massa

de água mais quente, por ter uma densidade menor, se direciona para a seção superior do

reservatório, onde é feita a retirada do fluido quente.

Com os resultados apresentados pelos três sistemas de aquecimento no dia

28/11/08, como temperatura máxima atingida e energia térmica acumulada ao longo do

dia, encontrou-se a eficiência atingida pelos reservatórios térmicos, como mostra a Tabela

4.1:

Tabela 4.1 – Eficiência atingida pelos reservatórios térmicos em termossifão dia 28/11/08.

Reservatório

[ ]º

in ic ia lT

C

[ ]º

fin a lT

C

[ ]acumulado

kJ

Q

[ ]²

c

m

A

[ ]/ ²kJ m

Ι� [ ]/ ²kJ m

ΤΙ� [ ]%

η

[ ]Τ

%

η

PP 23,3 41,5 6865 1 18926 16605 36,2 41,3

PVC 22,9 41,1 6860 1 18926 16605 36,2 41,3

Convencional 25,8 44,5 7800 1 18926 16605 41,2 46,9

Capítulo IV

62

A Tabela 4.1 mostra que os dois reservatórios de baixo custo apresentaram

desempenhos térmicos muito semelhantes e satisfatórios, quando comparados ao reservatório

convencional. Em relação à eficiência atingida, o reservatório PP e o reservatório PVC

apresentaram os mesmos valores.

4.1.2 Segundo ensaio nos reservatórios

Os valores médios registrados de radiação solar incidente na cidade de Uberlândia de

02 a 04/12/08 alcançaram valores altos e podem ser observados na Figura 4.5.

Figura 4.5 - Radiação incidente no coletor de 02 a 04 de dezembro de 2008. (a) Radiação incidente no coletor dia 02/12/08. (b) Radiação incidente no coletor dia 03/12/08. (c) Radiação incidente no coletor dia 04/12/08 (Fonte: INMET).

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200

500

1000

1500

2000

2500

3000

03/12

Radia

ção

(kJ/m

²)

H o r a d o d i a ( h )

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

02/12

Radia

ção (

kJ/m

²)

Hora do dia(h)

(a) Radiação incidente no coletor dia 02/12/08.

(b) Radiação incidente no coletor dia 03/12/08.

(c) Radiação incidente no coletor dia 04/12/08.

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

04 / 12

Ra

dia

çã

o (

KJ/m

²)

Hora do dia (h)

Capítulo IV

63

No monitoramento realizado entre os dias 2 e 4 de dezembro foi feito o

acompanhamento contínuo das temperaturas nos reservatórios, e como foram dias de sol

intenso, os três reservatórios térmicos atingiram os valores mais altos de temperatura dentre

os registrados durante os ensaios.

No dia 02/12/08, o reservatório PP levou aproximadamente 7h para elevar a

temperatura média da água de 23,4°C para 41,6°C e no dia 04/12/08 alcançou uma

temperatura máxima média (média das três seções) de 47,1°C às 16:00h, como pode ser

observado na Figura 4.6.

09 :4 5 09 :5 5 1 0 :0 5 1 0 :1 6 1 2 :40 1 6 :00 1 9 :2 0 2 2 :4 0

2 2

2 4

2 6

2 8

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8

4 0

4 2

4 4

se çã o in fe r io r

se çã o in te rm e d .

se çã o su p e rio r

Tem

pera

tura

(ºC

)


0 2 /1 2

03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:0028

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Te

mp

era

tura

(ºC

)

Hora do dia (h)

03/12

02:40 05:40 08:40 11:40 14:40 17:40 20:40

24

2628

30

32

3436

3840

42

44

4648

50

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Te

mpera

tura

(ºC

)

Hora do dia (h)

04/12

Figura 4.6 - Temperaturas do reservatório PP do dia 02 a 05/12/08. (a) Temperaturas do reservatório PP dia 02/12. (b) Temperaturas do reservatório PP dia 03/12/08. (c) Temperaturas do reservatório PP dia 04/12/08.

(c) Temperaturas do reservatório PP dia 04/12/08.

(b) Temperaturas do reservatório PP dia 03/12/08.

(a) Temperaturas do reservatório PP dia 02/12/08.

Capítulo IV

64

A análise do desempenho térmico do reservatório PP ao longo do dia é apresentada

na Tabela AIII. 4 do apêndice III.

Já o de reservatório PVC levou no dia 02/12/08 aproximadamente 7h para elevar a

temperatura média da água de 23,2°C para 41,8°C, e no dia 04/12/08 alcançou uma

temperatura máxima média de 46,6 °C às 16:00h, como pode ser observado na Figura 4.7.

09 :45 0 9 :55 10 :0 5 10 :16 12 :40 16 :00 19 :20 22 :4020

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

seção in ferio r

seção in te rm ed .

seção superio r

Tem

pe

ratu

ra (

ºC)

H o ra do d ia (h )

02 /12

(a) Temperaturas do reservatório PVC dia 02/12/08.

02:00 05:00 08:00 11:00 14:00 17:00 20:00 23:0026

28

30

32

34

36

38

40

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Te

mp

era

tura

(ºC

)

Hora do dia (h)

03/12

01:20 04:40 08:00 11:20 14:40 18:00 21:2020222426283032343638404244464850

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Tem

pe

ratu

ra (

ºC)

04/12

Hora do dia (h)

Figura 4.7 – Temperaturas do reservatório PVC do dia 02 a 05/12/08. (a) Temperaturas do reservatório PVC dia 02/12/08. (b) Temperaturas do reservatório PVC dia 03/12/08. (c) Temperaturas do reservatório PVC dia 04/12/08.

(b) Temperaturas do reservatório PVC dia 03/12/08.

(c) Temperaturas do reservatório PVC dia 04/12/08.

Capítulo IV

65

A análise do desempenho térmico do reservatório PVC ao longo do dia é apresentada


O reservatório Convencional no dia 02/12/08 levou aproximadamente 7h para elevar

a temperatura média da água de 25,3°C para 43,2°C e no dia 04/12/08 alcançou uma

temperatura máxima média de 51,1°C às 16:00h, como pode ser observado na Figura 4.8.

09:45 09:55 10:05 10:16 12:40 16:00 19:20 22:40

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Te

mpe

ratu

ra (

ºC)

Hora do dia (h)

02/12

02:00 05:00 08:00 11:00 14:00 17:00 20:00 23:0026

28

30

32

34

36

38

40

42

44

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Te

mp

era

tura

(ºC

)

Hora do dia (h)

03/12

01:20 04:40 08:00 11:20 14:40 18:00 21:20202224262830323436384042444648505254

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Te

mpe

ratu

ra (

ºC)

Hora do dia (h)

04/12

Figura 4.8 – Temperaturas do reservatório Convencional do dia 02 a 05/12/08. (a) Temperaturas do reservatório Convencional dia 02/12/08. (b) Temperaturas do reservatório Convencional dia 03/12/08. (c) Temperaturas do reservatório Convencional dia 04/12/08.

(a) Temperaturas do reservatório Convencional dia 02/12/08.

(b) Temperaturas do reservatório Convencional dia 03/12/08.

(c) Temperaturas do reservatório Convencional dia 04/12/08.

Capítulo IV

66

A análise do desempenho térmico do reservatório Convencional ao longo do dia é

apresentada na Tabela AIII. 6 do apêndice III.

Pela análise das Figuras 4.6, 4.7 e 4.8 foi observado que a distribuição de

temperaturas dentro dos reservatórios térmicos acompanhou os dados de radiação solar

registrados neste mesmo dia. A queda de temperatura observada principalmente na seção

inferior dos reservatórios durante a noite é atribuída ao processo de estratificação térmica que

maximiza a saída de água fria para o coletor solar.

Com os resultados apresentados pelos três sistemas de aquecimento no dia 02/12/08,

como temperatura máxima atingida e energia térmica acumulada ao longo do dia, encontrou-

se a eficiência atingida pelos reservatórios térmicos, como mostra a Tabela 4.2.


Reservatório

[ ]º

in ic ia lT

C

[ ]º

fin a lT

C

[ ]acumulado

kJ

Q

[ ]²

c

m

A

[ ]/ ²kJ m

Ι� [ ]/ ²kJ m

ΤΙ� [ ]%

η

[ ]%T

η

PP 23,4 41,6 6846 1 16670 14719 41,0 46,5

PVC 23,2 41,8 6988 1 16670 14719 41,9 47,4

Convencional 25,3 43,2 7457 1 16670 14719 44,7 50,6


desempenhos térmicos muito semelhantes e satisfatórios, quando comparados ao reservatório

convencional. O reservatório da placa coletora de PVC teve um acúmulo de energia térmica

em torno de 2% maior do que o reservatório da placa de PP.

4.1.3 Terceiro ensaio nos reservatórios

No teste seguinte com os reservatórios térmicos, os mesmos atingiram valores

consideráveis de temperatura e próximos aos alcançados no ensaio anterior. Os valores

médios registrados de radiação solar incidente no dia 05 a 06/12/08 na cidade de Uberlândia

podem ser observados na Figura 4.9.

Capítulo IV

67

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Rad

iaçã

o (

kJ/m

²)

Hora do dia (h)

05/12

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Ra

dia

çã

o (

kJ/m

²)

Hora do dia (h)

06/12

Figura 4.9 - Radiação incidente no coletor de 05 a 06 de dezembro de 2008. (a) Radiação incidente no coletor dia 05/12/08. (b) Radiação incidente no coletor dia 06/12/08. (Fonte: INMET).

No dia 05/12/08, o reservatório PP levou aproximadamente 06h50min para elevar a

temperatura média da água de 24,7°C para 44,7°C e no dia 06/12/08 alcançou uma

temperatura máxima média de 46,5°C às 16:00h, como pode ser observado na Figura 4.10. A

análise do desempenho térmico do reservatório PP ao longo do dia é apresentada na Tabela

AIII. 7 do apêndice III.

11:36 14:36 16:26 17:26 19:20 21:20 23:20

24

26

28

3032

34

36

3840

42

44

4648

50

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Tem

pera

tura

(ºC

)

Hora do dia (h)

05/12

01:00 04:00 07:00 10:00 13:00 16:00 19:00 22:0030

32

34

36

38

40

42

44

46

48

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Tem

pera

tura

(ºC

)

Hora do dia (h)

06/12

Figura 4.10 – Temperaturas do reservatório PP do dia 05 a 06/12/2008. (a) Temperaturas do reservatório PP dia 05/12/08. (b) Temperaturas do reservatório PP dia 06/12/08.

(b) Radiação incidente no coletor dia 06/12/08.

(a) Radiação incidente no coletor dia 05/12/08.

(a) Temperaturas do reservatório PP dia 05/12/08.

(b) Temperaturas do reservatório PP dia 06/12/08.

Capítulo IV

68

Quanto ao reservatório PVC, o mesmo demorou aproximadamente 6h50min no dia

05/12/08 para elevar a temperatura média da água de 23,8 ºC para 44,4 °C e no dia 06/12/08

alcançou uma temperatura máxima média de 48 °C às 16:00h, como pode ser observado na

Figura 4.11.

11:36 14:36 16:26 17:26 19:20 21:20 23:20

1820222426283032343638404244464850

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Te

mpe

ratu

ra (

ºC)

Hora do dia (h)

05/12

01:00 04:00 07:00 10:00 13:00 16:00 19:00 22:0028

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

50

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Tem

pe

ratu

ra (

ºC)

Hora do dia (h)

06/12

Figura 4.11– Temperaturas do reservatório PVC do dia 05 a 06/12/2008. (a) Temperaturas do reservatório PVC dia 05/12/08. (b) Temperaturas do reservatório PVC dia 06/12/08.



Em relação ao reservatório Convencional, o mesmo levou aproximadamente

06h50min no dia 05/12/08 para elevar a temperatura média da água de 24,4°C a 45,7°C e no

dia 06/12/08 alcançou uma temperatura máxima média de 53,3°C às 16:00h, como pode ser

observado na Figura 4.12. A análise do desempenho térmico do reservatório Convencional ao

longo do dia é apresentada na Tabela AIII. 9.



se a eficiência atingida pelos três reservatórios térmicos estudados, como mostra a Tabela 4.3.

(a) Temperaturas do reservatório PVC dia 05/12/08.

(b) Temperaturas do reservatório PVC dia 06/12/08.

Capítulo IV

69

11:36 14:36 16:26 17:26 19:20 21:20 23:202022242628303234363840424446485052

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Te

mp

era

tura

(ºC

)

Hora do dia (h)

05/12

01:00 04:00 07:00 10:00 13:00 16:00 19:00 22:00

283032343638404244464850525456

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Te

mp

era

tura

(ºC

)

Hora do dia (h)

06/12

Figura 4.12 – Temperaturas do reservatório Convencional do dia 05 a 06/12/2008. (a) Temperaturas do reservatório Convencional dia 05/12/08. (b) Temperaturas do reservatório Convencional dia 06/12/08.

Comparando as Figuras 4.10 e 4.11 com a Figura 4.12 se observa que as temperaturas

nos reservatórios dos aquecedores solares de baixo custo atingiram valores menores, porém

próximos aos valores das temperaturas atingidas pelo reservatório convencional.

Tabela 4.3 – Eficiência atingida pelos reservatórios térmicos com termossifão dia 05/12/08.

Reservatório

[ ]º

in ic ia lT

C

[ ]º

fin a lT

C

[ ]acumulado

kJ

Q

[ ]²

c

m

A

[ ]/ ²kJ m

Ι� [ ]/ ²kJ m

ΤΙ� [ ]%

η

[ ]%T

η

PP 24,7 44,7 7507 1 20974 17865 35,7 42,0

PVC 23,8 44,4 7758 1 20974 17865 36,9 43,4

Convencional 24,4 45,7 8902 1 20974 17865 42,4 49,8


desempenhos térmicos muito semelhantes e satisfatórios, e que o reservatório da placa

coletora de PVC teve um acúmulo de energia térmica de aproximadamente 3,3% maior do

que o reservatório da placa de PP neste terceiro dia de ensaio, e como era de se esperar ambos

apresentaram valores de eficiência menores que o reservatório convencional.

(a) Temperaturas do reservatório Convencional dia 05/12/08.

(b) Temperaturas do reservatório Convencional dia 06/12/08.

Capítulo IV

70

4.1.4 Quarto ensaio nos reservatórios

Os valores médios registrados de radiação solar incidente no dia 09/12/08 na cidade

de Uberlândia podem ser observados na Figura 4.13:

6 8 10 12 14 16 18 200

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Ra

dia

çã

o (

kJ/m

²)

Hora do dia (h)

Figura 4.13 - Radiação incidente no coletor no dia 09 de dezembro de 2008 (fonte: INMET).

O reservatório PP levou aproximadamente 7h para elevar a temperatura média da

água de 19,20°C para 41,86°C, como pode ser observado na Figura 4.14.

10 :36 13 :36 16 :00 17 :00 18 :00 19 :00

16182022242628303234363840424446

seção in fe rio r

seção in te rm ed.

seção superio r

Te

mp

era

tura

(ºC

)

H o ra do d ia (h )

Figura 4.14– Temperaturas do reservatório PP no dia 09/12/08.

Capítulo IV

71

A análise do desempenho térmico do reservatório PP ao longo do dia é apresentada


O reservatório PVC levou aproximadamente 7h para elevar a temperatura média da

água de 19,3°C a 45,6°C, como pode ser observado na Figura 4.15.

10:36 13:36 16:00 17:00 18:00 19:00

161820222426283032343638404244464850

seção inferior

seção interm ed.

seção superior

Tem

pe

ratu

ra (

ºC)

Hora do d ia (h)

Figura 4.15– Temperaturas do reservatório PVC no dia 09/12/08.



O reservatório Convencional levou aproximadamente 7h para elevar a temperatura

média da água de 22,7°C para 46,5°C, como pode ser observado na Figura 4.16.

10:36 13:36 16:00 17:00 18:00 19:00182022242628303234363840424446485052

seção inferior

seção interm ed.

seção superior

Te

mpera

tura

(ºC

)

Hora do dia (h)

Figura 4.16– Temperaturas do reservatório Convencional no dia 09/12/08.

Capítulo IV

72

A análise do desempenho térmico do reservatório Convencional ao longo do dia é

apresentada na Tabela AIII. 12 do apêndice.



se a eficiência atingida pelos reservatórios térmicos, como mostra a Tabela 4.4.


Reservatório

[ ]º

in ic ia lT

C

[ ]º

fin a lT

C

[ ]acumulado

kJ

Q

[ ]²

c

m

A

[ ]/ ²kJ m

Ι� [ ]/ ²kJ m

ΤΙ� [ ]%

η

[ ]%T

η

PP 19,2 41,8 8515 1 20653 17542 41,2 48,5

PVC 19,3 45,6 9866 1 20653 17542 47,7 56,2

Convencional 22,7 46,5 9913 1 20653 17542 47,9 56,5

A Tabela 4.4 mostra que neste quarto ensaio realizado com os aquecedores solares,

os dois reservatórios de baixo custo apresentaram desempenho térmico satisfatório,

principalmente o reservatório do coletor de PVC, que atingiu uma eficiência térmica idêntica

ao reservatório convencional.

Na Tabela 4.5 são apresentados os valores encontrados da eficiência térmica e da

temperatura máxima atingida pelos três reservatórios em termossifão estudados ao longo dos

quatro dias de medição:

Tabela 4.5 – Eficiência e Temperatura dos reservatórios nos 4 dias de medição.

Reservatório 28/11/08 02/12/08 05/12/08 09/12/08 Média 41,3 % 46,5 % 42,0 % 48,5 % Τη =44,5 %

PP 41,5 ºC 41,6 ºC 44,7 ºC 41,8 ºC Tmáx =42,4ºC

41,3 % 47,4 % 43,4 % 56,2 % Τη =47,1 %

PVC 41,1 ºC 41,8 ºC 44,4 ºC 45,6 ºC Tmáx =43,2ºC

46,9 % 50,6 % 49,8 % 56,5 % Τη =50,9 %

Convencional 44,5 ºC 43,2 ºC 45,7 ºC 46,5 ºC Tmáx =45,0ºC

Capítulo IV

73

Os resultados obtidos nos quatro ensaios com o sistema termossifão mostraram que os

dois aquecedores solares de baixo custo analisados apresentaram valores muito próximos de

temperatura final e eficiência. Deve-se ressaltar que os coletores sem coberturas analisados

possuem estruturas diferentes, sendo que a placa de PVC possui canais maiores e em menor

quantidade, circulando assim um maior volume de água dentro da placa (10 L), enquanto que

a placa de PP possui uma maior quantidade de canais e com diâmetros menores, circulando

assim um menor volume de água dentro da placa (4 L).

Pela análise da Tabela 4.5, os aquecedores solares de baixo custo apresentaram um

ótimo desempenho térmico, atingindo valores de eficiência e de temperatura próximos aos

valores atingidos pelo reservatório convencional.

4.2 Coeficiente Global de Troca Térmica do Reservatório ( )UA

Escolhidos o tipo e a espessura de isolante dos reservatórios de baixo custo, no

Capítulo III, foi então feita a análise das perdas térmicas pelo cálculo do coeficiente global de

troca térmica entre o reservatório de água quente e o ambiente. Os valores para este

coeficiente oscilam entre 0,01 /ºkW C e 0,25 /ºkW C , dependendo da forma de instalar o

reservatório de água quente e sua conexão com o reservatório de água fria.

Armazenadores de aço inox que usam espuma de poliuretano como isolante,

comumente encontrados no mercado, possuem coeficientes globais, UA , da ordem de 2

/ºW C (JURADO, 2004).

Os gráficos das Figuras 4.6, 4.7 e 4.8 representam a evolução da temperatura dentro

dos três reservatórios térmicos estudados durante três dias de acompanhamento, de 02/12/08

até o dia 04/12/08.

Através de dados adquiridos experimentalmente entre a noite do dia 02/12 e a

madrugada do dia 03/12, calculou-se a energia dissipada para o ambiente durante este

período. Com os resultados pode-se encontrar o fluxo de calor para o ambiente e o coeficiente

global de troca térmica do reservatório. Deve se ressaltar que a energia dissipada pela placa

coletora não atinge o desempenho do reservatório térmico pois não há circulação de água

dentro da placa a noite.

O monitoramento do reservatório foi iniciado desde o momento que o sol deixa de

fornecer energia para o coletor, até o momento que ele retorna a fornecer energia para o

sistema no dia seguinte.

Capítulo IV

74

Pode-se observar na Figura 4.5 o registro de radiação de 2 a 4 de dezembro de 2008.

Iniciam-se as análises as 19 h do dia 02 de dezembro e termina-se às 7h do dia seguinte.

A temperatura ambiente média durante a noite do dia 02/12 e a madrugada do dia

03/12 foi de Tamb = 21,2 ºC (fonte: INMET).

Para conhecer o coeficiente de troca térmica utiliza-se a Equação (4.1), onde

representa a taxa de transferência de calor por convecção para o ambiente.

( )Q UA Tr Tamb amb= −� (4.1)

A taxa de transferência de calor é calculada usando a Equação. (4.2):

QQamb

τ=

∆τ

� (4.2)

τ∆ = 43200 s (tempo entre 19 h de 02 de dezembro as 7 h da manhã seguinte).

A energia dissipada para o ambiente no período da noite Qτ é calculada pela

Equação (4.3), onde m é a massa de cada camada estratificada em kg. Para o estudo

considerou-se a água estratificada em 3 camadas de igual massa (30 kg), sendo Cp = 4,174

[kJ/kg ºC] o calor específico da água. Tri são as três temperaturas da água de cada seção

monitoradas no reservatório.

( ),Q Q mCp Trit i= Σ = Σ ∆τ (4.3)

A Figura 4.17 mostra o comportamento térmico da água no reservatório PP, no qual

a temperatura média foi de rT =40,3 ºC durante a noite de 2 de dezembro até o amanhecer do

dia 3 de dezembro.

Capítulo IV

75

20:20 22:00 23:40 01:20 03:00 04:40 06:20 --28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Te

mp

era

tura

(ºC

)

Hora do dia (h)

Figura 4.17- Evolução das temperaturas no reservatório PP durante a noite do dia 02 até o amanhecer do dia 03 de dezembro.

A Tabela 4.6 mostra os valores de temperatura registrados e os resultados da

energia dissipada para cada uma das três seções.

Tabela 4.6– Energia dissipada para o ambiente na noite de 02/12/2008.

Camada Ti [ºC] T f [ºC] ,Qt i [ ]kJ

Superior 41 34, 9 767 Intermediária 41, 3 36, 1 646 Inferior 38, 5 29, 3 1.156

Substituindo os resultados da Tabela 4.6 na Equação (4.2) obtém-se Qamb =�

=0, 05948 /kJ s . Substituindo na Equação (4.1) resulta:

59,483,124 /º

( ) (40,3 -21,2)º

Q WambUA W C

Tr T Camb= = =

−

�

A Figura 4.18 mostra o comportamento térmico da água no reservatório PVC durante

a noite de 2 de dezembro até o amanhecer do dia 3 de dezembro.

Capítulo IV

76

20 :20 22 :00 23 :4 0 0 1 :20 03 :0 0 0 4 :40 06 :2 0 --26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

se ção in fe rio r

se ção in te rm e d.

se ção supe rio r

Te

mp

era

tura

(ºC

)

H o ra do d ia (h )

Figura 4.18– Evolução das temperaturas no reservatório PVC durante a noite do dia 02 até o amanhecer do dia 03 de dezembro.

A temperatura média no reservatório PVC é de rT =39,8ºC como pode ser observado

na Figura 4.18 anterior.

A Tabela 4.7 mostra os valores de temperatura registrados e os resultados da energia

dissipada para cada uma das três seções.

Tabela 4.7 – Energia dissipada para o ambiente na noite de 02/12/2008.


Superior 40,3 34,9 668 Intermediária 40,1 35,8 670 Inferior 39,1 27,5 1450

Substituindo os resultados da Tabela 4.7 na Equação. (4.2) obtém-se Qamb =�

= 0,06454 /kJ s . Substituindo na Equação (4.1) resulta:

64,543, 468 /º

( ) (39,8 -21,2)º

Q WambUA W C

Tr T Camb= = =

−

�

A Figura 4.19 mostra o comportamento térmico da água no reservatório

Convencional durante a noite de 2 de dezembro até o amanhecer do dia 3 de dezembro.

Capítulo IV

77

20:20 22:00 23:40 01:20 03:00 04:40 06:20262728293031323334353637383940414243

seção in ferior

seção in term ed.

seção superior

Te

mp

era

tura

(ºC

)

H o ra do d ia (h)

Figura 4.19– Evolução das temperaturas no reservatório Convencional durante a noite do dia 02 até o amanhecer do dia 03 de dezembro.

A temperatura média inicial no reservatório é de rT =39,6ºC como pode ser

observado na Figura 4.19 anterior.

A Tabela 4.8 mostra os valores de temperatura registrados e os resultados da energia

dissipada para cada uma das três seções.

Tabela 4.8– Energia dissipada para o ambiente na noite de 02/12/2008.


Superior 40,9 37,5 420 Intermediária 41,5 37,5 502 Inferior 36,3 28,1 1024

Substituindo os resultados da Tabela 4.8 na Equação (4.2) obtém-se Qamb =�

=0, 04505 /kJ s . Substituindo na Equação (4.1) resulta:

45,052, 456 /º

( ) (39,6 -21,2)º

Q WambUA W C

Tr T Camb= = =

−

�

Os coeficientes globais de troca térmica dos reservatórios de baixo custo calculados

estão dentro dos valores encontrados na literatura e são valores satisfatórios quando

Capítulo IV

78

comparados ao coeficiente do reservatório convencional. Assim, conclui-se que os

reservatórios de baixo custo possuem baixas perdas térmicas quando comparados com o

reservatório convencional.

4.3 Eficiência dos sistemas bombeados

Foram feitos cinco ensaios nos dois aquecedores solares de baixo custo (com placa

de PVC e com placa de PP) com circulação forçada, sendo usados nos testes vazões de 20

L/h, 40 L/h e 60 L/h, dentro da faixa de operação das bombas peristálticas. Foram medidas as

temperaturas dentro dos reservatórios térmicos de baixo custo e também na entrada e saída

das placas coletoras sem cobertura. De posse dos dados de radiação solar encontrou-se a

eficiência dos reservatórios.

4.3.1 Vazão de recirculação de 20 L/h

Foi realizado um experimento com os sistemas em batelada operando a uma vazão de

recirculação de 20 L/h no dia 04/02/09, que foi um dia de tempo parcialmente nublado. Os

dados de radiação para este dia são apresentados na Figura 4.20.

10 11 12 13 14 150

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Ra

dia

çã

o (

kJ/m

²)

Hora do dia (h)

igura 4.20 - Radiação incidente no coletor no dia 04 de fevereiro de 2009 (fonte: INMET).

O comportamento térmico no reservatório do coletor de PP e no reservatório do

coletor de PVC operando a 20 L/h neste dia é mostrado na Figura 4.21 e 4.22, na qual pode se

Capítulo IV

79

observar que o reservatório do coletor de PP levou aproximadamente 6h para elevar a

temperatura média da água de 25,3ºC a 31,9ºC, conforme a Tabela AIII. 13 no apêndice AIII,

enquanto que o reservatório do coletor de PVC levou aproximadamente 6h para elevar a

temperatura média da água de 25,8ºC a 31,5ºC, conforme a Tabela AIII. 14 no apêndice AIII.

10 11 12 13 14 15 16 17 18 1923

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Te

mp

era

tura

(C

°)

Hora do dia (h)

Reservatório PP

10 11 12 13 14 15 16 17 18 1923

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Tem

pera

tura

(°C

)

Hora do dia (h)

Reservatório PVC

A eficiência atingida pelos dois reservatórios térmicos no dia de ensaio operando a

20 L/h é mostrada na Tabela 4.9.

Tabela 4.9 – Eficiência dos reservatórios alternativos com vazão de recirculação de 20 L/h.

Reservatório

[ ]º

in ic ia lT

C

[ ]º

fin a lT

C

[ ]acumulado

kJ

Q

[ ]²

c

m

A

[ ]/ ²kJ m

Ι� [ ]/ ²kJ m

ΤΙ� [ ]%

η

[ ]%T

η

PP 25,3 31,9 2452 1 8534 8052 28,7 30,4 PVC 25,8 31,5 2146 1 8534 8052 25,1 26,6

Pela análise da Tabela 4.9, nota-se que os reservatórios de baixo custo não

atingiram valores de eficiência consideráveis quando trabalharam com taxas de

recirculação em torno de 20 L/h e que o reservatório da placa de PP obteve um maior

desempenho térmico neste dia de ensaio.

As temperaturas médias de entrada e saída no coletor de PP e no coletor de PVC

podem ser observadas na Figura 4.23 e Figura 4.24 respectivamente.

Figura 4.21 - Temperaturas no reservatório do coletor de PP dia 04/02/09.

Figura 4.22 - Temperaturas no reservatório do coletor de PVC dia 04/02/09.

Capítulo IV

80

11:30 13:10 14:50 16:30 18:1020

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44 Te

Ts

Tem

pera

tura

(°C

)

Hora do dia (h)

Coletor de PP

11:30 13:10 14:50 16:30 18:10

20

22

24

26

28

30

32

34

36 Te

Ts

Te

mp

era

tura

(°C

)

Hora do dia (h)

Coletor de PVC

Analisando as figuras anteriores, nota-se que os dois coletores tiveram

comportamentos similares frente às variações de radiação no dia, mas que o coletor de

forro de PVC é mais sensível às variações de radiação solar incidente. Já o coletor de PP

apresentou uma maior variação de temperatura, ou seja, transferiu uma maior quantidade

de calor útil à água quando comparado à placa de forro de PVC. Isto pode ser confirmado

na Tabela 4.10, na qual é mostrado o calor útil transferido à água por estes dois tipos de

coletores sem cobertura a uma vazão de recirculação de 20 L/h (0,0053 kg/s).

Tabela 4.10 – Calor útil transferido à água com vazão de recirculação de 20 L/h.

COLETOR DE PVC COLETOR DE PP

[ ]/ ²kJ m

Ι

[ ]/ ²kJ m

ΤΙ

[ ]/ ²

G

W m

Τ

[ ]ht [ ]ºTe C [ ]ºTs C [ ]uQ

W

[ ]ºTe C [ ]ºTs C [ ]uQ

W

2015 1863,8 517,7 10:00 22,2 27,3 113,7 22,3 33,3 243,1 1258 1187,2 329,8 11:00 21, 24,5 77,2 21,7 30,3 189,3 2445 2279,8 633,2 12:00 23,2 29,5 138,7 22,7 35,6 285,3 774,7 732,3 203,4 13:00 23,8 26,7 64,8 23,8 31,1 160,6 831,4 893,1 248,0 14:00 22,5 25 56,6 23,6 29,7 134,5 1210 1095,6 304,3 15:00 23,6 27 75,4 24,3 27,0 59,7

Figura 4.23 – Temperaturas do coletor de PP dia 04/02/09.

Figura 4.24 – Temperaturas do coletor de PVC dia 04/02/09.

Capítulo IV

81

A Tabela 4.10 mostra que para uma mesma vazão de recirculação de 0,0053 kg/s,

o coletor de polipropileno (PP) transferiu uma maior quantidade de calor para a água do

que o coletor de PVC.


Foram realizados dois experimentos com os sistemas operando a uma vazão de 40

L/h em batelada. O primeiro experimento ocorreu no dia 10/02/09, que foi um dia de tempo

parcialmente nublado e os dados de radiação para este dia são apresentados na Figura 4.25.

09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Ra

dia

çã

o (

kJ/m

²)

Hora do dia (h)

Figura 4.25 - Radiação incidente no coletor no dia 10 de fevereiro de 2009 (fonte: INMET).




temperatura média da água de 24,3 ºC para 40,6 ºC, conforme a Tabela AIII. 15 no apêndice

AIII, enquanto que o reservatório do coletor de PVC levou aproximadamente 6h para elevar a


AIII.

Capítulo IV

82

10:00 12:00 14:00 16:00

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Tem

pe

ratu

ra (

°C)

Hora do dia (h)

Reservatório PP

10:00 12:00 14:00 16:00

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Te

mp

era

tura

(C

)

Hora do dia (h)

Reservatório PVC

A eficiência atingida pelos dois reservatórios térmicos no dia 10/02/09 é mostrada na

Tabela 4.11.

Tabela 4.11 – Eficiência dos reservatórios alternativos com vazão de 40 L/h no dia 10/02/09.

Reservatório

[ ]º

in ic ia lT

C

[ ]º

fin a lT

C

[ ]acumulado

kJ

Q

[ ]²

c

m

A

[ ]/ ²kJ m

Ι� [ ]/ ²kJ m

ΤΙ� [ ]%

η

[ ]%T

η

PP 24,3 40,6 6152 1 13576 12735 45,3 48,3 PVC 23,9 40,2 6105 1 13576 12735 44,9 47,9

Pela análise da Tabela 4.11, nota-se que os reservatórios térmicos atingiram maiores

valores de eficiência quando trabalharam com taxas de recirculação intermediárias em torno

de 40 L/h e que o reservatório da placa de PP obteve um maior desempenho térmico neste dia

de ensaio.

O segundo teste com os aquecedores solares operando a vazão de 40 L/h ocorreu em

11/02/09, que foi um dia de céu claro. Os dados de radiação para este dia são apresentados na

Figura 4.28

Figura 4.26 – Temperaturas no reservatório do coletor de PP dia 10/02/09.

Figura 4.27 – Temperaturas no reservatório do coletor de PVC dia 10/02/09.

Capítulo IV

83

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Ra

dia

ção

(kJ/m

²)

Hora do dia (h)






AIII, enquanto que o reservatório do coletor de PVC levou aproximadamente 6h para elevar a

temperatura média da água de 23,5 ºC para 45,5 ºC, conforme a Tabela AIII.18 no apêndice

AIII.

11:00 13:00 15:00 17:002022242628303234363840424446485052

Te

mpe

ratu

ra (

°C)

Hora do dia (h)

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Reservatório PP

11:00 13:00 15:00 17:0020

22242628

30323436

3840

42444648

50

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Te

mpe

ratu

ra (

°C)

Hora do dia (h)

Reservatório PVC


Figura 4.30 - Temperaturas no reservatório do coletor de PVC dia 11/02/09.

Capítulo IV

84

A eficiência atingida pelos dois reservatórios térmicos no dia 11/02 é mostrada na

Tabela 4.12.

Tabela 4.12 – Eficiência dos reservatórios alternativos com vazão de 40 L/h no dia 11/02.

Reservatório

[ ]º

in ic ia lT

C

[ ]º

fin a lT

C

[ ]acumulado

kJ

Q

[ ]²

c

m

A

[ ]/ ²kJ m

Ι� [ ]/ ²kJ m

ΤΙ� [ ]%

η

[ ]%T

η

PP 23,7 46,7 8620 1 18717 17128 46,0 50,3 PVC 23,5 45,5 8258 1 18717 17128 44,1 48,2

Os valores de eficiência que os sistemas alcançaram neste dia são próximos aos

valores atingidos no dia 10/02. Confirmando que os aquecedores solares de baixo custo

apresentam um bom desempenho térmico quando trabalham com vazões de recirculação em

torno de 40 L/h. Isto pode ser verificado pela análise das Figuras 4.26, 4.27, 4.29 e 4.30, nas

quais se observa que as camadas de água quente e intermediária permaneceram mais afastadas

da camada mais fria no fundo do reservatório, maximizando a saída de água fria para o

coletor.

Os valores de eficiência apresentados pelo sistema bombeado nesta vazão de 40 L/h

foram superiores aos valores de eficiência atingidos com os aquecedores em termossifão.

As temperaturas médias de entrada e saída no coletor de PP e no coletor de PVC

trabalhando com vazão de recirculação de 40 L/h (0,0106 kg/s) podem ser observadas nas

Figura 4.31 e Figura 4.32 respectivamente.

11:30 13:10 14:50 16:30

20

2224

2628

303234

3638

404244

4648

Te

mp

era

tura

(°C

)

Hora do dia (h)

Te

Ts

Coletor de PP

11:30 13:10 14:50 16:3020

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

Te

mp

era

tura

(°C

)

Hora do dia (h)

Te

Ts

Coletor de PVC

Figura 4.31 – Temperaturas do coletor de

PP dia 10/02/09. Figura 4.32 – Temperaturas do coletor de

PVC dia 10/02/09.

Capítulo IV

85

Analisando as figuras anteriores, nota-se que os dois coletores apresentaram

comportamentos similares frente às variações de radiação do dia. Uma queda na radiação às

15h00min, conforme mostrado na Figura 4.25 anterior, provocou uma queda brusca nas

temperaturas de entrada e saída dos coletores, mostrando que estes coletores sem cobertura

são bastante sensíveis às mudanças climáticas, como radiação, temperatura ambiente e

principalmente o vento. O coletor de PP apresentou uma maior variação de temperatura, ou

seja, transferiu uma maior quantidade de calor útil à água quando comparado à placa de forro

de PVC. Isto pode ser confirmado na Tabela 4.13, na qual é mostrado o calor útil transferido à

água por estes dois tipos de coletores sem cobertura a uma vazão de recirculação de 40 L/h

(0,0106 kg/s).


COLETOR DE PVC COLETOR DE PP

[ ]/ ²kJ m

Ι

[ ]/ ²kJ m

ΤΙ

[ ]/ ²

G

W m

Τ


W


W

2480 2259,2 627,5 10 22,1 26,2 182,2 21,6 33,5 526,9 1984 1859,1 516,4 11 24,4 31,8 325,1 23,7 33,4 429,6 2154 2017,8 560,5 12 25,8 29,7 168,5 26,2 36,2 441,5 3338 3049,5 847,1 13 28,9 34,8 262,8 28,6 41,9 588 2777 2509,2 697 14 31,8 36 188,9 31,8 41,7 435,8 843,8 1040,3 288,9 15 29,2 31,4 95,5 29,6 35,2 245,9

A Tabela 4.13 mostra que para uma mesma vazão de recirculação de 40L/h, o coletor

de polipropileno (PP) transferiu uma maior quantidade de calor para a água que o coletor de

PVC. Analisando os valores apresentados na tabela nota-se ainda que uma vazão de 20 L/h,

como a utilizada no ensaio anterior, não foi suficiente para transferir a mesma quantidade de

calor que foi transferida à água quando os coletores operaram a uma vazão de 40L/h.


Foram realizados dois experimentos com os sistemas em batelada operando a uma

vazão de recirculação de 60 L/h. O primeiro experimento ocorreu no dia 30/01/09, que foi um

dia de céu claro e os dados de radiação para este dia são apresentados na Figura 4.33.

Capítulo IV

86

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Ra

dia

ção

(kJ/m

²)

Hora do dia (h)

Figura 4.33 - Radiação incidente no coletor no dia 30 de janeiro de 2009 (fonte: INMET).

O comportamento térmico no reservatório do coletor de PP e no reservatório de PVC

operando a 60 L/h neste dia é mostrado na Figura 4.34 e 4.35, na qual pode se observar que o

reservatório do coletor de PP levou aproximadamente 6h para elevar a temperatura média da

água de 25,8 ºC para 45 ºC, conforme mostra a Tabela AIII. 19 no apêndice AIII, enquanto

que o reservatório do coletor de PVC levou aproximadamente 6h para elevar a temperatura

média da água de 26,4 ºC para 44,4 ºC, conforme mostra a Tabela AIII. 20 no apêndice AIII.

10:00 11 12:03 13:03 14:03 15:03 16:03

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

50

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Tem

pe

ratu

ra (

°C)

Hora do dia (h)

Reservatório PP

10:00 11 12:03 13:03 14:03 15:03 16:0320

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

seção inferior

seção intermed.

seção superior

Tem

pera

tura

(°C

)

Hora do dia (h)

Reservatório PVC


Figura 4.35 – Temperaturas no reservatório do coletor de PVC dia 30/01/09.

Capítulo IV

87

A eficiência atingida pelos dois reservatórios térmicos no dia 30/01 é mostrada na Tabela

4.14.

Tabela 4.14 – Eficiência dos reservatórios alternativos com vazão de 60 L/h dia 30/01.

Reservatório

[ ]º

in ic ia lT

C

[ ]º

fin a lT

C

[ ]acumulado

kJ

Q

[ ]²

c

m

A

[ ]/ ²kJ m

Ι� [ ]/ ²kJ m

ΤΙ� [ ]%

η

[ ]%T

η

PP 25,8 45 7208 1 18525 16439 38,9 43,8 PVC 26,4 44,4 6787 1 18525 16439 36,6 41,2

Observa-se pela Tabela 4.14 que com um aumento na vazão de recirculação de 40

L/h para 60 L/h, os reservatórios térmicos tiveram seus valores de eficiência reduzidos,

quando comparados aos valores encontrados com vazões de 40 L/h. Novamente o reservatório

da placa de PP obteve um maior desempenho térmico neste dia de ensaio.

A segunda corrida feita nos sistemas de aquecimento com vazão de 60 L/h ocorreu

em 12 de fevereiro de 2009, que foi um dia de céu claro e os dados de radiação para este dia

são apresentados na Figura 4.36.

10 11 12 13 14 150

500

1000

1500

2000

2500

3000

Ra

dia

ção

(kJ/m

²)

Hora do dia (h)





temperatura média da água de 26,9 ºC para 40,6 ºC, conforme mostra a Tabela AIII. 21 no

Capítulo IV

88

apêndice AIII, enquanto que o reservatório do coletor de PVC levou aproximadamente 6h

para elevar a temperatura média da água de 27,9 ºC para 40 ºC, conforme mostra a Tabela

AIII. 22 no apêndice AIII.

10 11 12 13 14 15 16

26

28

30

32

34

36

38

40

42

Te

mp

era

tura

(°C

)

Hora do dia (h)

seção intermediária

seção superior

Reservatório PP

10 11 12 13 14 15 1626

28

30

32

34

36

38

40

42

Tem

pe

ratu

ra (

°C)

Hora do dia (h)

seçãointermediária

seção superior

Reservatório PVC

Neste dia de medição, foi possível medir somente as temperaturas no meio e topo dos

reservatórios, mais isso não atrapalhou o cálculo da eficiência dos reservatórios.

A eficiência atingida pelos dois reservatórios térmicos no dia 12/02 é mostrada na

Tabela 4.15.

Tabela 4.15 – Eficiência dos reservatórios alternativos com vazão de 60 L/h dia 12/02.

Reservatório

[ ]º

in ic ia lT

C

[ ]º

fin a lT

C

[ ]acumulado

kJ

Q

[ ]²

c

m

A

[ ]/ ²kJ m

Ι� [ ]/ ²kJ m

ΤΙ� [ ]%

η

[ ]%T

η

PP 26,9 40,6 5157 1 12281 16439 39 41,7 PVC 27,9 40 4546 1 18525 16439 34,3 36,8

Analisando as Tabelas 4.14 e 4.15, observa-se que os valores de eficiência atingidos

no dia 12/02 foram próximos aos valores do dia 30/01, confirmando que os aquecedores

solares de baixo custo apresentaram uma queda na eficiência térmica quando trabalharam com

vazões de recirculação em torno de 60 L/h, pois os valores de eficiência atingidos nessa vazão

foram inferiores aos valores de eficiência encontrados a uma vazão de 40 L/h. Conclui-se que


Figura 4.38 – Temperaturas no reservatório do coletor de PVC dia 12/0209.

Capítulo IV

89

vazões relativamente mais altas que 40 L/h, nas entradas e saídas do reservatório térmico

causam turbulências e fazem com que o boiler perca sua estratificação.

As temperaturas de entrada e saída no coletor de PP e no coletor de PVC

trabalhando com vazão de recirculação de 60 L/h (0,0166 kg/s) podem ser observadas nas

Figuras 4.39 e 4.40 respectivamente.

11:30 13:10 14:50 16:3020

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

Tem

pera

tura

(°C

)

Hora do dia (h)

Te

Ts

Coletor PP

11:30 13:10 14:50 16:30

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

Te

mp

era

tura

(°C

)

Hora do dia (h)

Te

Ts

Coletor PVC

Nota-se que os dois coletores tiveram comportamentos similares frente às variações

de radiação do dia, pois a baixa radiação incidente no coletor às 14h provocou uma resposta

rápida nos dois sistemas, mostrando que estes coletores sem cobertura são bastante sensíveis

às mudanças climáticas. Além disso, o coletor de PP apresentou uma maior variação de

temperatura, ou seja, transferiu mais calor à água que o coletor de PVC, como mostra a

Tabela 4.16.


Coletor de PVC Coletor de PP

[ ]/ ²kJ m

Ι

[ ]/ ²kJ m

ΤΙ

[ ]/ ²

G

W m

Τ


W


W

2061 1919,5 533,2 10:00 20,5 26,8 439,9 22,3 32,1 681,1 2841 2645,1 734,7 11:00 22,4 27,8 377,6 22,5 34,2 812,7 3222 3000,6 833,5 12:00 26,1 32,6 451 26,1 37,9 815,5 2080 1957,2 543,6 13:00 29,4 34,1 327 29,3 38,8 659,6 636,1 601,4 167 14:00 24,3 25,1 55,4 24,7 27,6 201,6 2380 2156,9 599,1 15:00 27,3 29,8 173,9 28,3 43 1016,4

Figura 4.39 – Temperaturas no do coletor de PP dia 12/02/09.

Figura 4.40 – Temperaturas no coletor de PVC dia 12/02/09.

Capítulo IV

90

A Tabela 4.16 mostra que para uma mesma vazão de recirculação de 0, 0166 kg/s, o

coletor de polipropileno (PP) transferiu uma maior quantidade de calor para a água do que o

coletor de PVC, quantidade essa maior que a encontrada nos ensaios anteriores quando os

coletores operaram com taxas de recirculação menores. Apesar da maior quantidade de calor

transferida à água pelos coletores operando com vazões de 60L/h, este valor de vazão causou

turbulências e provocou uma redução na eficiência dos reservatórios térmicos.

4.3.4 Efeito da vazão na eficiência dos aquecedores solares

No sistema bombeado, os resultados encontrados mostraram que os dois aquecedores

de baixo custo analisados apresentaram o mesmo comportamento frente a variações de vazão.

O que se observou foi que para vazões iguais às analisadas um incremento de 20 L/h pode

variar a eficiência do sistema de aquecimento, como ocorreu no experimento, pois em relação

aos reservatórios térmicos, os mesmos atingiram uma eficiência baixa entre 26% e 30% com

uma vazão inicial de 20 L/h e ao aumentar a vazão dos mesmos para 40 L/h , ambos tiveram

um incremento bastante considerável nas suas respectivas eficiências e alcançaram valores

mais altos, em torno de 49%. Mas quando se aumentou a vazão para 60 L/h, houve uma queda

na eficiência tanto do aquecedor com placa de PP quanto na eficiência do aquecedor com

placa de PVC, sendo que este último sofreu uma maior queda. Pode-se deduzir que a placa de

forro de PVC seria mais sensível à mudanças de vazão, devida à sua baixa inércia térmica,

pois comparando as estruturas dos coletores estudados, enquanto o coletor de PVC possui

uma menor quantidade de dutos com uma área transversal maior, o coletor de PP é formado

por uma maior quantidade de dutos de área transversal menor. Assim a eficiência do sistema

formado pela placa de PVC é mais facilmente alterada por variações na vazão de recirculação.

A Tabela 4.17 mostra os valores da eficiência média atingida para cada vazão

utilizada dentro da faixa de operação da bomba. Estes resultados encontrados mostram que os

dois aquecedores de baixo custo apresentaram valores consideráveis de eficiência,

principalmente quando bombeados a 40 L/h, e que o reservatório térmico da placa coletora de

PP alcançou uma eficiência térmica média um pouco maior, ou seja, acumulou mais energia

ao longo do dia que o reservatório da placa de PVC.

Capítulo IV

91

Tabela 4.17 – Efeito da vazão na eficiência dos aquecedores solares.

Vazão (L/h) [ ]%T

η Reservatório PP [ ]%T

η Reservatório PVC

20 30,4 26,6

40 49,3 48

60 42,7 39

4.4 Comparação entre os sistemas de aquecimento

Comparando os valores de eficiência atingidos em todos os ensaios realizados, com

os sistemas ativos e passivos, os dois aquecedores de baixo custo apresentaram os maiores

valores de eficiência quando bombeados a 40 L/h, e com este valor de vazão de recirculação,

os resultados de eficiência encontrados foram maiores que os apresentados com sistema em

termossifão.

Os dois aquecedores de baixo custo analisados quando em circulação natural

atingiram valores de eficiência e de temperatura similares e quando em circulação forçada o

reservatório da placa de PP apresentou resultados melhores em relação ao reservatório da

placa de PVC em toda a faixa de operação da bomba.

A seguir é apresentada uma Tabela comparativa, Tabela 4.18, com os valores médios

dos parâmetros analisados ao longo dos dias de ensaio com os três tipos de aquecedores

solares trabalhando em termossifão e bombeados a uma vazão ideal de 40 L/h.

Tabela 4.18 – Tabela comparativa de desempenho térmico dos aquecedores solares.

SISTEMA UA [ ]/ºW C [ ]ºCTmáx [%]termossifaoT

η [ ]40 / %L hT

η

PP 3,12 47,1 44,5 49,31 PVC 3,46 48,0 47,1 48,07 Convencional 2,45 53,3 50,9 Não foi comparado

Pelos dados contidos na Tabela 4.18 observa-se que o aquecedor solar com placa

coletora de PVC e o aquecedor formado pela placa coletora de PP apresentaram um

desempenho térmico semelhante e satisfatório quando comparados ao aquecedor

convencional, tanto em relação ao baixo valor de energia dissipada para o ambiente quanto

em relação à eficiência média atingida. Para um mesmo dia de medição, os três reservatórios

Capítulo IV

92

atingiram as suas respectivas Tmáx praticamente ao mesmo tempo e na mesma hora do dia

(entre 15:50 h e 16:10 h).

Apesar dos maiores valores de eficiência atingidos com os aquecedores de baixo

custo bombeados a uma vazão de 40 L/h, se deve levar em conta que há gastos de energia

com recirculação de água.

4.5 Simulação fluidodinâmica do ASBC

Esta seção apresenta um estudo referente à dinâmica de aquecimento do fluido no

interior do Boiler (sistema contínuo e batelada). Para tanto, numa dada condição operacional,

foi realizado um balanço de energia no Boiler com o intuito de avaliar, em cada caso, a

máxima temperatura alcançada pelo fluido e disponibilizada ao usuário, o tempo para que o

sistema entre em estado estacionário, bem como a distribuição de temperaturas no interior do

reservatório (estratificação térmica).

4.5.1 Balanço de Energia para um Sistema de Aquecimento Contínuo.

Uma representação esquemática do sistema estudado, similar àquele instalado junto à

unidade experimental de aquecimento solar que se encontra na FEQUI/UFU, é apresentada na

Figura 4.41.

Figura 4.41 – Representação esquemática do Sistema ASBC (Boiler de 90 L) em operação contínua.

Capítulo IV

93

Nesta etapa do trabalho, foi considerado que água fria vinda da rede pública (F)

estaria sempre chegando à temperatura de aproximadamente 22ºC. Da mesma forma, foi

considerado que o Coletor estaria sujeito a uma insolação constante, de forma que o fluido ao

passar por ele retornasse ao Boiler (totalmente isolado) numa temperatura de

aproximadamente 39ºC. Essa temperatura foi escolhida porque representa a temperatura

média experimental verificada no interior do Boiler durante um dia ensolarado (das 10:00 às

17:00 h), conforme mostra a Figura 4.42.

Figura 4.42 – Temperatura média do fluido no interior do Boiler medida experimentalmente ao longo de um dia de aquecimento, em batelada e sem consumo (Fonte: unidade experimental instalada na FEQUI/UIFU).

Para o sistema mostrado anteriormente e ainda considerando uma temperatura média

de 39ºC, fora feito um balanço de energia para diferentes razões de recirculação – “R”.

Definiu-se “R” como a razão entre a taxa mássica que circula pelo coletor - “S”- pela taxa

mássica do consumo “C” (disponibilizada ao usuário). Assim, para cada condição

operacional, estimou-se, teoricamente, por um balanço de energia no reservatório, a máxima

temperatura média que o sistema poderia fornecer ao usuário/consumidor (TE), bem como o

tempo necessário (tE) para que tal condição fosse alcançada (estado estacionário), nos termos

da Figura 4.43.

Capítulo IV

94

Figura 4.43 – Dinâmica da temperatura do fluido (Balanço de Energia) na corrente de consumo do Boiler – “C” - para uma razão de recirculação genérica – “Ri”.

A Figura 4.44 apresenta as máximas temperaturas (TE) do fluido na corrente de

consumo (C) para cada uma das razões de recirculação (R) utilizadas nesta etapa do trabalho,

bem como o tempo necessário para que elas sejam atingidas (tE) – calculados segundo a

metodologia apresentada na Figura 4.43, na qual foi usada uma taxa mássica fixa que circula

pelo coletor solar de 0,016 Kg/s e variou-se apenas a taxa mássica de consumo. Assim, a

partir do balanço de energia exposto anteriormente, encontrou-se TE e tE.

Figura 4.44 – Tempo necessário para que a temperatura do fluido na corrente de consumo atinja o estado estacionário em função de diferentes razões de recirculação no Coletor.

Capítulo IV

95

Verifica-se que a máxima temperatura do fluido disponível ao usuário (corrente de

consumo – “C”) é obtida à medida que maiores razões de recirculação (“R”) são empregadas,

ou seja, à medida que a taxa mássica de consumo diminui (menores “C” e, portanto, maiores

“R”), a temperatura da água fornecida ao usuário tende a ser maior, pois provavelmente

possibilita uma maior estratificação de fluido quente na parte superior do Boiler (ausência de

turbulência capaz de proporcionar mistura intensa entre porções do fluido no topo e fundo do

Boiler). Constata-se ainda que razões de recirculação acima de 1,1 conseguiriam fornecer

continuamente “água quente” ao usuário.

A Figura 4.44 também mostra que na prática, o sistema proposto neste estudo jamais

alcançaria o estado estacionário por limitações climáticas. Verifica-se que para atingir a

máxima temperatura (39ºC) seria necessário aproximadamente 14 h irradiação solar (algo

impossível porque um dia limpo e ensolarado teria no máximo 8 h de irradiação solar).

Felizmente, esta constatação não traz maiores preocupações aos usuários porque, no

cotidiano, as unidades de aquecimento solar instaladas em residências, instituições e

comércios são providas de placas coletoras conjugadas e o consumo de “água quente” pelos

usuários é quase sempre efetuado de maneira intermitente.

4.5.2 Balanço de Energia para um Sistema de Aquecimento em Batelada.

Na seqüência, considerando que o consumo de “água quente”, na maioria das

situações, é intermitente, foi feito um estudo teórico da dinâmica da temperatura do fluido no

Boiler (totalmente isolado), desconsiderando qualquer consumo de “água quente” e qualquer

entrada de “água fria” no reservatório. O sistema em comento poderia ser representado por

meio da Figura 4.45.

Capítulo IV

96

Figura 4.45 – Representação esquemática do Sistema ASBC (Boiler de 90 L) em batelada e comportamento da temperatura média do fluido no interior do reservatório em face da taxa mássica que escoa pelo coletor (“S”).

A partir do sistema de aquecimento mostrado na Figura 4.45 (batelada), um balanço

de energia foi feito a fim de estimar, teoricamente, o tempo necessário para que o reservatório

atingisse a temperatura de 39ºC em face de diferentes taxas mássicas “S” que poderiam escoar

pela placa coletora, e assim foi construído o gráfico da Figura 4.46.

Figura 4.46 – Tempo previsto para que o fluido no interior do Boiler atinja uma temperatura média de 39ºC operando em batelada e a diferentes taxas mássicas de escoamento pelo coletor (“S”).

Capítulo IV

97

De acordo com a Figura 4.46 verifica-se que, à medida que se aumenta a taxa

mássica de fluido que escoa pelo coletor – “S”, há uma redução do tempo necessário para que

o sistema de aquecimento solar atinja o seu estado estacionário (39ºC). A justificativa para

este comportamento é no sentido de que maiores razões de recirculação proporcionam

maiores números de Reynolds e, consequente, maiores coeficientes convectivos de troca

térmica entre a placa coletora e o fluido que por ela circula. A Figura 4.46 ainda mostra que

taxas mássicas a partir de 0,20 kg/s fazem com que o sistema atinja rapidamente a faixa de

temperatura desejada (39ºC). No entanto, deve-se ressaltar que taxas mássicas acima deste

patamar favorecem o aquecimento do fluido, mas, em contrapartida, majoram a perda de

carga nos canais da placa coletora, requerendo um sistema de bombeamento mais robusto

(maior gasto de energia elétrica).

4.5.3 Distribuição de Temperatura no interior do Boiler.

Os balanços energéticos mostrados nas seções 4.5.1 e 4.5.2 mostram apenas o tempo

necessário para que a temperatura média do fluido no Boiler (sistema batelada) ou na

saída/consumo (sistema contínuo) fosse estabilizada. Salvo os casos em que o escoamento é

turbulento e ocorre mistura intensa no volume do Boiler, sabe-se que sistemas desta natureza

geralmente conduzem a uma estratificação de temperaturas no fluido ao longo da altura do

reservatório, fenômeno este não previsto pela metodologia utilizada nas seções anteriores

(4.5.1 e 4.5.2).

Com o intuito de complementar as informações até então obtidas, técnicas de

Fluidodinâmica Computacional (CFD) foram utilizadas nesta etapa do trabalho para prever a

distribuição do fluido a diferentes temperaturas no interior do Boiler, considerando um

sistema de aquecimento que opera continuamente. Nas simulações fluidodinâmicas efetuadas,

foi utilizada uma razão de circulação no coletor de 17 g/s, “água fria” entrando à 22ºC e água

do Coletor para o Boiler chegando à 39ºC, operando em estado estacionário para diferentes

valores de “R” (razão de recirculação). Os perfis de temperatura simulados no interior do

Boiler podem ser visualizados pela Figura 4.47.

As simulações fluidodinâmicas mostraram que há uma estratificação térmica do

fluido no interior do Boiler para a maioria das razões de recirculação (2,0 � R � 0,20).

Capítulo IV

98

Figura 4.47 – Perfis de Temperatura no interior do Boiler em função de “R”.

R = 2,0 R = 1,7 R = 1,4 R = 1,2

R = 1,0 R = 0,90 R = 0,80 R = 0,70

R = 0,60 R = 0,50 R = 0,40 R = 0,20

R = 0,12 R = 0,09 R = 0,07 R = 0,06

R = 0,037 R = 0,035 R = 0,033 R = 0,030

T (K)

Capítulo IV

99

A estratificação térmica permite que o fluido mais quente esteja disponível na parte

superior do Boiler (vale lembrar que a captação para o consumo é feita no topo do

reservatório). Este comportamento é ainda interessante porque a água fria ficará depositada no

fundo do Boiler e será encaminhada diretamente para a placa solar coletora (na placa haverá

maiores gradientes de temperatura, favorecendo a absorção de calor).

Por outro lado, razões de recirculação menores do que 0,2 podem comprometer o

desempenho do Boiler porque a estratificação térmica fica comprometida. Para R< 0,2

começa haver uma mistura intensa de várias porções de fluido no interior do reservatório em

face da turbulência causada pela grande quantidade de “água fria” (22ºC) que entra para suprir

a demanda de “água quente” retirada pelo usuário.

Para cada uma das simulações contidas na Figura 4.47, há uma temperatura média do

fluido fornecida na corrente de consumo do Boiler. Esta temperatura média é obtida mediante

a integração do perfil térmico ao longo da fronteira de saída, conforme é ilustrado

genericamente na Figura 4.48.

Figura 4.48 – Perfil de temperatura e temperatura média do fluido ao longo do duto da corrente de consumo do Boiler.

Os valores médios de temperatura na corrente de consumo, obtidos por meio das

técnicas de CFD e da metodologia apresentada na Figura 4.48, estão contidos na Figura 4.49.

Capítulo IV

100

Figura 4.49 – Temperatura Média do Fluido disponível ao usuário (corrente de Consumo) obtida por meio das técnicas de CFD em face de distintas “R”.

De acordo com a Figura 4.49, as simulações em CFD levaram aos mesmos resultados

dos balanços energéticos apresentados e discutidos nas seções 4.5.1 e 4.5.2. Isto significa

dizer que as técnicas em fluidodinâmica computacional além de preverem satisfatoriamente a

temperatura média disponível ao usuário na corrente de consumo, puderam ainda prever como

o fluido se estratificava no interior do Boiler. Tal predição é de suma importância, pois

informações desta natureza podem subsidiar os projetos de engenharia em aquecimento solar,

otimizando-os no sentido de se obter as melhores condições operacionais e geométricas.

4.6 Análise econômica do aquecedor solar de baixo custo

O efeito sobre a economia familiar com o uso de um aquecedor solar de baixo custo

pode ser notado considerando os gastos com o chuveiro elétrico em uma residência de classe

baixa. Transformando o consumo elétrico evitado em economia familiar, o ASBC poderá

produzir uma economia de cerca de R$ 388,00 para cada família média, por ano (1204 Kwh

por família por ano x 0,75 de eficiência x R$ 0,43 por Kwh cobrado pela distribuidora de

energia). Isto resulta num retorno financeiro de 9 meses após início de uso do ASBC,

admitindo o seu custo em R$300,00/unidade (fonte: Sociedade do Sol). O valor médio de um

Capítulo IV

101

aquecedor solar convencional de 100 L disponível no mercado é em torno de R$1200,00,

cerca de 4 vezes o valor de um aquecedor de baixo custo de mesmo volume.

Um exemplo de economia na conta de energia elétrica com a implantação de

aquecedor solar de baixo custo foi extraído do site da Sociedade do Sol, no qual é encontrado

informações sobre o ASBC instalado em junho de 2004 em uma residência de Uberlândia,

MG, composta por 4 adultos e 2 crianças. O volume do reservatório utilizado foi de 200 L e o

consumo de energia elétrica em outubro de 2003 foi de 114 kwh/mês (R$ 60,25).

Depois da implantação do ASBC o consumo de energia elétrica em novembro de 2004 caiu

para 81 kwh/mês (R$ 17,06), confirmando a grande economia que esta tecnologia social pode

trazer para uma família.

Capítulo V

CAPÍTULO V

CONCLUSÕES E SUGESTÕES

A unidade experimental construída teve desempenho satisfatório e possibilitou a

realização dos ensaios com a qualidade desejada.

Os dois coletores solares de baixo custo analisados por não possuírem cobertura, são

sensíveis às mudanças climáticas e se observou que quanto menor a temperatura da água na

entrada do coletor, maior é a sua eficiência. Com relação ao calor útil transferido do coletor

solar para a água, foi constatado que o coletor de PP transferiu uma maior quantidade de calor

para a água quando comparado ao coletor de forro de PVC.

Em comparação com o reservatório convencional, os reservatórios de baixo custo

analisados apresentaram desempenho térmico satisfatório, tanto em relação às perdas térmicas

quanto em relação aos valores atingidos de eficiência e temperatura.

Quando em circulação natural, os dois reservatórios de baixo custo analisados

atingiram valores de eficiência e de temperatura similares, e quando em circulação forçada o

reservatório da placa de PP apresentou melhores resultados em relação ao reservatório da

placa de PVC em toda a faixa de operação da bomba, sendo que ambos aquecedores solares

de baixo custo atingiram maiores valores de eficiência quando bombeados com vazões em

torno de 40 L/h e quando se trabalhou com vazões maiores ou menores que 40 L/h os mesmos

tiveram suas eficiências comprometidas. Isto é atribuído ao fato de que uma vazão de 20 L/h

não foi suficiente para transferir a mesma quantidade de calor que foi transferida à água

quando os sistemas operaram a uma vazão de 40L/h. Já uma vazão de 60 L/h pode ter causado

turbulências dentro boiler, fazendo com que o mesmo perdesse sua estratificação.

Assim, conclui-se que um tanque uniformizado termicamente só apresentará algum

grau de estratificação no sistema de circulação forçada, se as velocidades de entrada e saída

de água não forem relativamente altas.

As técnicas em fluidodinâmica computacional mostraram satisfatoriamente a

temperatura média da corrente de consumo que sai do boiler e como o fluido se estratifica no

interior do reservatório ASBC.

Ficam como sugestões para trabalhos futuros, o melhoramento da bancada de ensaio

com a implantação de um tanque de pré-aquecimento, para poder controlar a temperatura de

Capítulo V

103

entrada no coletor solar e assim traçar a curva de eficiência instantânea do coletor em toda a

sua faixa de operação.

Fazer uma comparação com reservatórios verticais convencionais.

Iniciar estudos sobre o coletor concentrador.

Analisar a inclinação ótima dos coletores solares de acordo com a variação da

posição do sol ao longo do ano.

Desenvolver coberturas de baixo custo para coletores poliméricos, como uma

cobertura transparente de policarbonato (PC).

Construir uma curva que relaciona o volume de água a ser aquecido pela diferença de

temperatura atingida, para uma mesma área de coletor analisada. (Volume inversamente

proporcional ao �T).

Analisar o efeito do tipo de isolante térmico usado para o reservatório e para placa

coletora através da análise do coeficiente de perda térmica do reservatório (UA) e do

coeficiente global de perda de calor do coletor ( LU ) respectivamente.

Estudar o efeito do posicionamento das “Entradas” e “Saídas” do reservatório ASBC.

104

APÊNDICE I

Curva de calibração da bomba peristáltica

105

Para a calibração da bomba peristáltica utilizada nos experimentos, mediu-se o

volume e o tempo de escoamento com o sistema bombeado. De posse desses dados foi

possível construir a curva de calibração, na qual foi encontrado o coeficiente de correlação

linear VR conforme mostra a Figura AI.

Figura AI - Curva de calibração da bomba peristáltica

106

APÊNDICE II

Curva de calibração dos termopares

107

Para a calibração dos termopares foi utilizado um banho de gelo e um banho de água

quente, nos quais os termopares foram imersos. Em seguida foram lidos os valores de tensão

registrados pelos termopares em três valores diferentes de temperaturas. De posse desses

dados foi possível construir as curvas de calibração de cada um dos 15 termopares conforme

mostram as figuras a seguir.

calibração T1

0,976

2,1404

2,6537y = 54,017x - 52,228

R2 = 0,9991

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3

ddp 1 (V)

tem

pera

tura

1(°C

)

y = 54,304x - 52,688R² = 0,9993

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

tem

pe

ratu

ra 3

(°C

)

calibração T3

y = 49,069x - 44,886R² = 0,9952

0102030405060708090

100

0 1 2 3

tem

pera

tura

T4 (°C

)

ddp 4 (V)

calibração T4

y = 53,442x - 52,082R² = 0,999

0102030405060708090

100

tem

pe

ratu

ra T

5 (

°C)

calibração T5

Figura AII.2 - Curva de calibração do termopar 3




108

y = 54,351x - 52,759R² = 0,9993

0102030405060708090

100

tem

pe

ratu

ra T

8 (

°C)

calibração 8

y = 53,943x - 52,936R² = 0,9993

0102030405060708090

100

0 1 2 3

tem

pera

tura

T9 (°C

)

ddp 9 (V)

calibração 9

y = 54,116x - 52,589R² = 0,9996

0102030405060708090

100

0 1 2 3

tem

pera

tura

T10 (°C

)

ddp 10 (V)

calibração 10

y = 54,822x - 52,851R² = 0,9993

0102030405060708090

100

0 1 2 3

tem

pera

tura

T11

ddp 11 (V)

calibração 11

y = 50,865x - 47,812R² = 0,9969

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

tem

pera

tura

T6 (°C

)

ddp 6 (V)

calibração 6

y = 55,292x - 54,221R² = 0,9997

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3

tem

pera

tura

T7

(°C)

ddp 7 (V)

calibração 7







109

y = 53,791x - 52,248R² = 0,9995

0102030405060708090

100

0 1 2 3

tem

pera

tura

T12 (

°C)

ddp 12 (V)

calibração 12

y = 53,532x - 51,901R² = 0,9998

0102030405060708090

100

0 1 2 3

tem

pera

tura

T13 (°C

)

ddp 13 (V)

calibração 13

y = 53,483x - 51,638R² = 0,9993

0102030405060708090

100

0 1 2 3

tem

pera

tura

T14 (°C

)

ddo 14 (V)

calibração 14

y = 54,196x - 52,518R² = 0,9993

0102030405060708090

100

0 1 2 3

tem

pera

tura

T15 (°C

)

ddo 15 (V)

calibração 15

y = 54,827x - 53,074R² = 0,9992

0102030405060708090

100

0 1 2 3

tem

pera

tura

T16 (°C

)

ddp 16 (V)

calibração 16






110

APÊNDICE III

Tabelas do desempenho térmico dos reservatórios nos dias de ensaio

111

Tabela AIII.1 – Desempenho térmico do Reservatório PP no dia 28/11/08 (termossifão). Ι

2/KJ m� ��

T

Ι 2/KJ m� �

� � ht � �

� � [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

08:10 23,3113333 961 832,3607

09:10 23,9203333 228,77694 0,2380613 0,27485312 1852 1597,512

10:10 25,7856667 700,73112 0,3783645 0,438639034 2425 2140,7677

11:10 29,1166667 1251,32346 0,5160096 0,584520899 2145 1969,188

12:10 31,4433333 874,0356 0,4074758 0,443855843 2306 2120,1924

13:10 33,857 906,71802 0,3931994 0,427658367 3205 2841,282

14:10 36,6176667 1037,07204 0,323579 0,365001447 3278 2817,232

15:10 39,511 1086,9096 0,3315770 0,38580763 2754 2287,141

16:10 41,586 779,4945 0,28304085 0,340816111

� =18926 � =16605,675 � =6865,061

Tabela AIII.2– Desempenho térmico do Reservatório PVC no dia 28/11/08 (termossifão).

Ι

2/KJ m� ��

T

Ι 2/KJ m� �

� � ht � �

� � [ ]ºT C acumuladoQ

KJ� �� η Tη

08:10 22,9286667 961 832,3607

09:10 23,2113333 106,18656 0,1104959 0,12757277 1852 1597,512

10:10 25,716 940,90308 0,508047019 0,588980289 2425 2140,7677

11:10 29,001 1234,0431 0,508883753 0,57644886 2145 1969,188

12:10 30,691 634,8654 0,295974545 0,322399588 2306 2120,1924

13:10 33,5293333 1066,2483 0,462380009 0,502901671 3205 2841,282

14:10 36,5363333 1129,60962 0,3524523 0,3975704 3278 2817,232

15:10 39,5816667 1144,00992 0,348996315 0,406075865 2754 2287,141

16:10 41,1883333 603,5604 0,219157734 0,263892956

� =18926 � =16605,675 � =6859,426

112

Tabela AIII. 3 – Desempenho térmico do Reservatório Convencional no dia 28/11/08 (sistema termossifão).

Ι

2/KJ m� ��

T

Ι 2/KJ m� �

� � ht � �

� � [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

08:10 25,839 961 832,3607

09:10 27,08433333 519,8021333 0,540897121 0,624491441 1852 1597,512

10:10 30,54366667 1443,925733 0,779657523 0,903859084 2425 2140,7677

11:10 32,055 630,8305333 0,260136302 0,294674912 2145 1969,188

12:10 32,315 108,524 0,050593939 0,055111041 2306 2120,1924

13:10 35,38966667 1283,365867 0,556533333 0,605306323 3205 2841,282

14:10 39,45433333 1696,591867 0,529357837 0,597121956 3278 2817,232

15:10 42,11066667 1108,753533 0,338240858 0,393561316 2754 2287,141

16:10 44,52666667 1008,4384 0,366172259 0,440916585

� =18926 � =16605, 675 � =7800, 232

Tabela AIII. 4 – Desempenho térmico do Reservatório PP no dia 02/12/08 (sistema termossifão).

Ι

2/KJ m� ��

T

Ι 2/KJ m� �

� � ht � �

� � [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

09:00 23,40667 2066 1734,367885

10:00 26,52033 1169,68002 0,566156834 0,674412868 2913 2486,334472

11:00 28,99 927,75498 0,318487806 0,373141663 2016 1855,221239

12:00 32,661 1379,04786 0,684051518 0,743333372 3142 2792,920514

13:00 36,80167 1555,48284 0,495061375 0,55693774 2411 2193,926823

14:00 39,011 829,95816 0,344238142 0,378298014 1919 1757,275095

15:00 40,382 515,02986 0,268384502 0,293084368 2203 1899,599599

16:00 41,63067 469,07412 0,212925157 0,246933154

� 16670 � 14719,645 � 6846,0278

113

Tabela AIII.5 – Desempenho térmico do Reservatório PVC no dia 02/12/08 (sistema termossifão).

Ι

2/KJ m� ��

T

Ι 2/KJ m� �

� � ht � �

� � [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

09:00 23,281667 2066 1734,367885

10:00 25,524333 842,48016 0,407783233 0,485756319 2913 2486,334472

11:00 29,398333 1455,30684 0,499590402 0,585322231 2016 1855,221239

12:00 33,148333 1408,725 0,698772321 0,759329923 3142 2792,920514

13:00 37,219667 1529,43708 0,486771827 0,547612104 2411 2193,926823

14:00 39,357667 803,16108 0,333123633 0,366083805 1919 1757,275095

15:00 40,042667 257,3271 0,134094372 0,146435297 2203 1899,599599

16:00 41,885333 692,21616 0,314215234 0,364401088

� 16670 � 14719,645 � 6988,653 Tabela AIII. 6 – Desempenho térmico do Reservatório Convencional no dia 02/12/08

(sistema termossifão).

Ι 2/KJ m� �

� �

TΙ

2/KJ m� ��

ht � �� [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

09:00 25,39266667 2066 1734,367885

10:00 28,71466667 1386,6028 0,67115334 0,799485975 2913 2486,334472

11:00 31,13033333 1008,299267 0,34613775 0,405536455 2016 1855,221239

12:00 31,965 348,3898667 0,172812434 0,187788852 3142 2792,920514

13:00 37,89 2473,095 0,78710853 0,885487069 2411 2193,926823

14:00 40,45766667 1071,744067 0,444522632 0,488504929 1919 1757,275095

15:00 41,444 411,6955333 0,214536495 0,23428064 2203 1899,599599

16:00 43,259 757,581 0,343886064 0,398810886

� 16670 � 14719,645 � 7457,407

114

Tabela AIII. 7 – Desempenho térmico do Reservatório PP no dia 05/12/08 (sistema termossifão).

Ι 2/KJ m� �

� �

TΙ

2/KJ m� �

� � ht � �� [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

09:06 24,77367 2153 1800,151592

10:06 25,682 341,2245 0,158488 0,1895532 2826 2416,82306

11:06 29,72633 1519,29426 0,537613 0,62863281 3240 2824,7379

12:06 35,33433 2106,70128 0,650216 0,74580416 4076 3601,18201

13:06 39,74033 1655,15796 0,406074 0,45961519 3408 2973,139558

14:06 42,65533 1095,0489 0,321317 0,36831399 3049 2340,17557

15:06 44,467 680,5719 0,223212 0,29082087 2222 1909,029088

15:56 44,75733 109,06662 0,049085 0,05713198

� 20974 � 17865,238 � 7507,0654

Tabela AIII.8 – Desempenho térmico do Reservatório PVC no dia 05/12/08 (sistema termossifão).

Ι 2/KJ m� �

� �

TΙ

2/KJ m� �

� � ht � �� [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

09:06 23,8456667

2153 1800,151592 10:06 26,52 1004,64006 0,466623344 0,558086366

2826 2416,82306 11:06 31,0103333 1686,83862 0,596899724 0,69795702

3240 2824,7379 12:06 35,6786667 1753,7061 0,541267315 0,620838521

4076 3601,18201 13:06 39,6033333 1474,34028 0,361712532 0,409404544

3408 2973,139558 14:06 43,087 1308,67422 0,384000651 0,440165756

3049 2340,17557 15:06 44,199 417,73392 0,137006861 0,178505376

2222 1909,029088 15:56 44,4986667 112,57278 0,050662817 0,058968604

� 20974 � 17865,238 � 7758,5059

115

Tabela AIII. 9 – Desempenho térmico do Reservatório Convencional para o dia 05/12/08 (sistema termo sifão).

Ι 2/KJ m� �

� �

TΙ

2/KJ m� �

� � ht � �� [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

09:06 24,471

2153 1800,151 10:06 28,732 1778,541 0,82607 0,987995

2826 2416,823 11:06 32,194 1445,317 0,51143 0,598024

3240 2824,737 12:06 35,077 1203,364 0,37140 0,426009

4076 3601,182 13:06 40,337 2195,524 0,53864 0,609668

3408 2973,139 14:06 43,836 1460,343 0,42850 0,491179

3049 2340,175 15:06 45,691 774,277 0,25394 0,330863

2222 1909,029 15:56 45,799 45,2183 0,02035 0,023687

� 20974 � 17865,238 � 8902,585

Tabela AIII. 10 – Desempenho térmico do Reservatório PP no dia 09/12/08 (sistema termos sifão).

Ι 2/KJ m� �

� �

TΙ

2/KJ m� �

� � ht � �� [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

08:36 19,202

2251 1865,482766 09:36 23,607 1654,7823 0,73513 0,88705

2959 2524,770939 10:36 26,303 1012,77936 0,34227 0,40113

3499 3021,521812 11:36 30,780 1681,95504 0,48069 0,55665

3785 3277,652396 12:36 35,061 1607,95002 0,42482 0,49057

3423 2990,609309 13:36 38,501 1292,2704 0,37752 0,43210

2180 1721,538579 14:40 40,724 835,2174 0,38312 0,48515

2556 2141,110413 15:40 41,869 430,25592 0,16833 0,20094

� 20653 � 17542,686 � 8515,21

116

Tabela AIII. 11 – Desempenho térmico do Reservatório PVC no dia 09/12/08 (sistema termossifão).

Ι 2/KJ m� �

� �

TΙ

2/KJ m� ��

ht � �� [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

08:36 19,339

2251 1865,482766 09:36 23,564 1587,28872 0,7051 0,8508

2959 2524,770939 10:36 28,047 1683,95856 0,5690 0,6669

3499 3021,521812 11:36 32,958 1844,86626 0,5272 0,6105

3785 3277,652396 12:36 38,362 2030,06664 0,5363 0,6193

3423 2990,609309 13:36 42,04 1381,55226 0,4036 0,4619

2180 1721,538579 14:40 44,196 810,1734 0,3716 0,4706

2556 2141,110413 15:40 45,605 529,0545 0,2069 0,24709

� 20653 � 17542,686 � 9866,96

Tabela AIII. 12 – Desempenho térmico do Reservatório Convencional para o dia 09/12/08

(sistema termossifão).

Ι 2/KJ m� �

� �

TΙ

2/KJ m� ��

ht � �� [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

08:36 22,756

2251 1865,482766

09:36 27,216 1861,604 0,8270 0,9979 2959 2524,770939

10:36 31,953 1977,362933 0,6682 0,7831 3499 3021,521812

11:36 33,594 685,0925333 0,1957 0,2267 3785 3277,652396

12:36 39,478 2455,703333 0,6487 0,7492 3423 2990,609309

13:36 42,643 1321,210133 0,3859 0,4417 2180 1721,538579

14:40 43,963 550,968 0,2527 0,3200 2556 2141,110413

15:40 46,506 1061,4482 0,4152 0,4957

� 20653 � 17542,686 � 9913,389

117

Tabela AIII. 13– Desempenho térmico do Reservatório PP para o dia 04/02/09 (sistema bombeado – 20 L/h).

Ι 2/KJ m� �

� �

TΙ

2/KJ m� ��

ht � �� [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

10:00 25,37933 2015 1863,816

11 26,622 466,82016 0,231673 0,2504651258 1187,28

12 27,22067 224,89512 0,178772 0,189422445 2279,86

13 31,11267 1462,06872 0,597983 0,641297774,7 732,316

14 31,04467 -25,54488 -0,03297 -0,03488831,4 893,1428

15 31,15233 40,44606 0,048648 0,0452851210 1095,639

16 31,907 283,49808 0,234296 0,258751

� 8534,1 � 8052,054 � 2452,183

Tabela AIII. 14– Desempenho térmico do Reservatório PVC para o dia 04/02/09 (sistema bombeado – 20 L/h).

Ι 2/KJ m� �

� �

TΙ

2/KJ m� ��

ht � �� [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

10:00 25,819 2015 1863,816

11 27,086 475,961220,2362090,2553691258 1187,28

1227,40933 121,46340,0965530,1023042445 2279,86

1331,57367 1564,373460,6398260,686171774,7 732,316

1430,82567 -280,99368 -0,36271 -0,38371831,4 893,1428

15 31,069 91,41060,1099480,1023471210 1095,639

16 31,53133 173,680140,143537 0,15852

� 8534,1 � 8052,054 � 2145,895

118


Ι 2/KJ m� �

� �

TΙ

2/KJ m� ��

ht � �� [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

10:00 24,31867 2480 2259,216495

11:00 28,506 1573,01364 0,63428 0,6962651984 1859,130768

12:00 31,26067 1034,81808 0,5215820,5566142154 2017,896016

13:00 32,641 518,53602 0,2407320,2569693338 3049,598303

14:00 36,77633 1553,47932 0,4653920,5094052777 2509,258403

15:00 41,06433 1610,83008 0,5800610,641955843,8 1040,365437

16:00 40,69467 -138,86898 -0,16458 -0,13348

� 13576,8 � 12735,46 � 6151,8

Tabela AIII. 16– Desempenho térmico do Reservatório PVC para o dia 10/02/09

(sistema bombeado – 40 L/h).

Ι 2/KJ m� �

� �

TΙ

2/KJ m� ��

ht � �� [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

10:00 23,958 2480 2259,216495

11:0028,20567 1595,67846 0,6434190,7062971984 1859,130768

12:0030,44267 840,35142 0,4235640,4520132154 2017,896016

13:0031,81767 516,5325 0,2398020,2559763338 3049,598303

14:00 35,756 1479,4743 0,4432220,4851372777 2509,258403

15:00 40,479 1774,24218 0,6389060,707078843,8 1040,365437

16:0040,20967 -101,17776 -0,11991 -0,09725

� 13576,8 � 12735,46 � 6105,1

119

Tabela AIII. 17– Desempenho térmico do Reservatório PP para o dia 11/02/09

(sistema bombeado – 40 L/h).

Ι 2/KJ m� �

� �

TΙ

2/KJ m� ��

ht � �� [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

10:00 23,76 2684 2462,31

11:00 27,219 1299,40794 0,484131 0,5277193232 2988,465

12:00 32,41133 1950,55194 0,603512 0,6526943260 3029,83

13:00 37,68767 1982,10738 0,608008 0,6541972923 2721,74

14:00 41,24 1334,46954 0,456541 0,49033433 3127,851

15:00 43,83433 974,58726 0,283888 0,3115843185 2797,637

16:00 46,70567 1078,64508 0,338664 0,385556

� 18717 � 17127,83 � 8619,769


Ι 2/KJ m� �

� �

TΙ

2/KJ m� ��

ht � �� [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

10:00 23,564 2684 2462,31

11:00 26,74433 1194,72402 0,445128 0,4852053232 2988,465

12:00 31,78267 1892,7003 0,585613 0,6333353260 3029,83

13:00 37,18867 2030,81796 0,62295 0,6702742923 2721,74

14:00 40,633 1293,89826 0,442661 0,4753943433 3127,851

15:00 42,68733 771,73086 0,224798 0,2467293185 2797,637

16:00 45,549 1075,0137 0,337524 0,384258

� 18717 � 17127,83 � 8258,885

120


Ι 2/KJ m� �

� �

TΙ

2/KJ m� ��

ht � �� [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

10:00 25,85 2642 2297,514

11 25,97367 46,45662 0,017584 0,0202203893277 2930,347

12:03 33,20933 2718,15054 0,829463 0,9275865963498 3187,882

13:03 38,30367 1913,73726 0,547095 0,6003162683117 2844,683

14:03 41,37567 1154,02752 0,370237 0,4056787192882 2564,733

15:03 43,50933 801,53322 0,278117 0,3125211023109 2613,848

16:03 45,038 574,25892 0,184709 0,219698649

� 18525 � 16439 � 7208,164


Ι 2/KJ m� �

� �

TΙ

2/KJ m� ��

ht � �� [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

10:00 26,41 2642 2297,514

11 26,544 50,33844 0,019053 0,021909963 3277 2930,347

12:03 33,22933333 2511,41232 0,766375 0,857035831 3498 3187,882

13:03 38,31133333 1909,10412 0,54577 0,598862908 3117 2844,683

14:03 40,86666667 959,93652 0,307968 0,337449334 2882 2564,733

15:03 43,29933333 913,85556 0,317091 0,356316045 3109 2613,848

16:03 44,477 442,40226 0,142297 0,169253233

� 18525 � 16439 � 6787,04

121


Ι 2/KJ m� �

� �

TΙ

2/KJ m� ��

ht � �� [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

10 26,901 2061 1919,567883

11 29,096 824,5737 0,400084 0,429562 2841 2645,14794

12 32,813 1396,32822 0,491492 0,527883 3222 3000,642861

13 37,4335 1735,73703 0,538714 0,578455 2080 1957,278292

14 39,44 753,76179 0,362385 0,385107 636,1 601,4661912

15 38,719 -270,85086 -0,4258 -0,45032 2380 2156,986717

16 40,6285 717,32277 0,301396 0,332558

� 13220,1 � 12281,089 � 5156,872


Ι 2/KJ m� �

� �

TΙ

2/KJ m� ��

ht � �� [ ]ºT C

acumuladoQ

KJ� �� η Tη

10 27,968 2061 1919,567883

11 29,66967 639,2481 0,3101640,3330172841 2645,14794

12 32,66567 1125,47736 0,3961550,4254873222 3000,642861

13 37,25033 1722,27588 0,5345360,5739692080 1957,278292

14 39,34233 785,88072 0,3778270,401517636,1 601,4661912

15 38,49933 -316,68138 -0,49785 -0,52652 2380 2156,986717

16 40,07133 590,53752 0,2481250,273779

� 13220,1 � 12281,089 � 4546,738

122

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